マグマ

同義語:magma

概要

マグマ(magma)とは、集合 $M$ と $M$ 上の二項演算 $M\times M\to M$ の組であり、結合律・交換律・単位元の存在をどれも仮定しない最も条件の少ない代数構造である。整数の減法、実数の平均、空間ベクトルの外積、じゃんけんの勝ち手を返す演算などが例であり、結合律がないので部分集合 $X$ が生成する部分マグマは、括弧の付け方ごとの積を段階的に集めて得られる。集合 $X$ 上の自由マグマは括弧を付けた語の全体で、任意の写像 $X\to N$ を準同型にただ一通りに延長でき、$n$ 文字の語の括弧の付け方は Catalan 数 $C_{n-1}$ 通りある。準同型の像は核の合同関係による商マグマと同型であり、半群・モノイド・群はマグマに条件を加えて得られ、束は二つのマグマ構造を吸収律で結んで得られる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 集合, 写像, 二項演算

整数の引き算 $3-5$、二つの実数の平均 $\frac{x+y}{2}$、空間ベクトルの外積 $u\times v$ は、どれも同じ集合の二つの元から同じ集合の元を一つ作る。足し算や掛け算と違い、これらは括弧の付け替えを許さない。たとえば $(8-4)-2=2$ だが $8-(4-2)=6$ である。このような演算を、結合律も交換律も単位元も仮定せずにそのまま扱う枠組みがマグマである。マグマは最も条件の少ない代数構造であり、半群・モノイド・群はマグマに条件を加えたものとして得られ、束は二つのマグマ構造を吸収律で結びつけたものとして得られる。

定義

マグマ

集合 $M$ と、$M$ 上の二項演算
$$ \cdot\colon M\times M\to M,\qquad (x,y)\mapsto x\cdot y $$
の組 $(M,\cdot)$ をマグマ(magma)という。$x\cdot y$ を $x$ と $y$ の積とよび、しばしば $xy$ と略記する。演算について結合律・交換律・単位元の存在などは何も仮定しない。

マグマという名は Bou89 Chapter I §1 no. 1 Definition 1(p. 1)による。普遍代数の文献では、二項演算を一つだけもつ代数系を groupoid とよぶこともある(BS12 II §1 Definition 1.3、p. 23)。この groupoid は、すべての射が可逆な圏という意味の亜群とは別の概念である。また BS12 は台集合が空でないことを要求するが、この記事では Bou89 にならい、空集合とその上の(唯一の)演算もマグマとして認める。この違いは、空集合が生成する部分マグマ $\langle\emptyset\rangle=\emptyset$ と、自由マグマで $X=\emptyset$ とする場合に現れる。

マグマの準同型と同型

マグマ $(M,\cdot)$ からマグマ $(N,\ast)$ への写像 $f\colon M\to N$ が、すべての $x,y\in M$ について
$$ f(x\cdot y)=f(x)\ast f(y) $$
を満たすとき、$f$ をマグマの準同型(homomorphism of magmas)という。全単射な準同型を同型といい、同型が存在するとき $M$ と $N$ は同型であるという。

準同型の合成は準同型であり、全単射な準同型の逆写像も準同型である。これは 代数構造 の命題「合成と同型の逆写像」を、二項演算一つの型に当てはめたものである。マグマの準同型の定義は Bou89 Chapter I §1 no. 1 Definition 3(p. 2)にある。

部分マグマと生成

マグマ $M$ の部分集合 $A$ が、$x,y\in A$ ならば $xy\in A$ を満たすとき、$A$ は演算で閉じている(安定である)という。このとき演算を $A\times A$ に制限して得られるマグマ $A$ を $M$ の部分マグマ(submagma)という。部分集合 $X\subseteq M$ を含む部分マグマ全体の共通部分を、$X$ が生成する部分マグマといい $\langle X\rangle$ と書く。$\langle X\rangle=M$ のとき $X$ を $M$ の生成系という。

閉じた部分集合の族の共通部分は閉じている。実際、$x,y$ が共通部分に属せば、族の各メンバーに属し、そこで閉じているので $xy$ も各メンバーに属する。したがって $\langle X\rangle$ は $X$ を含む最小の部分マグマである(Bou89 Chapter I §1 no. 4 Definition 6、p. 6)。空集合も閉じているので、$\langle\emptyset\rangle=\emptyset$ である。

直感

マグマの積は「二つのものを一つにまとめる手続き」であり、何回もまとめるときには、どの順番でまとめたかという履歴が結果に影響しうる。結合律はこの履歴を忘れてよいという条件であり、交換律は左右を忘れてよいという条件である。マグマはその両方を忘れない立場で、まとめ方の履歴を完全に記録するものが後で述べる自由マグマ、つまり括弧を付けた式そのものである。
条件を加えた構造で成り立つ事実が、どの条件から来ているかを見分けるとき、マグマは基準点になる。たとえば群の準同型定理のうち、「準同型の像は商と同型である」という部分は結合律も逆元も使わずにマグマで成り立つ。一方で「核で商が決まる」という部分は群の構造に強く依存する。

例と反例

数の演算
  1. $(\mathbb Z,+)$、$(\mathbb Z,\times)$ はマグマである。どちらも結合的で可換である。
  2. 整数の減法 $(\mathbb Z,-)$ はマグマである。$(8-4)-2=2\neq6=8-(4-2)$ なので結合的でなく、$1-0\ne0-1$ なので可換でもない。
  3. 実数の平均 $x\circ y=\frac{x+y}{2}$ を備えた $(\mathbb R,\circ)$ はマグマである。可換だが、$(0\circ0)\circ4=2$、$0\circ(0\circ4)=1$ なので結合的でない。
  4. $0$ を含む自然数全体 $\mathbb N$ 上の冪 $a\ast b=a^b$($0^0=1$ とする)はマグマを与える(Bou89 Chapter I §1 no. 1 Example 2、p. 1)。$(2\ast1)\ast3=2^3=8$、$2\ast(1\ast3)=2^1=2$ なので結合的でなく、$2\ast3=8\ne9=3\ast2$ なので可換でもない。
空間ベクトルの外積

$\mathbb R^3$ に外積 $u\times v$ を入れた $(\mathbb R^3,\times)$ はマグマである。標準基底 $e_1,e_2,e_3$ について $e_1\times e_2=e_3$、$e_2\times e_3=e_1$、$e_3\times e_1=e_2$、$e_i\times e_i=0$ である。
$$ (e_1\times e_1)\times e_2=0\times e_2=0,\qquad e_1\times(e_1\times e_2)=e_1\times e_3=-e_2 $$
なので結合的でない。$u\times v=-(v\times u)$ だから、$u\times v\ne0$ となる組では可換性も破れる。単位元 $e$ があれば $e\times e=e$ だが、$e\times e=0$ なので $e=0$ となり、$0\times v=0\ne v$ に反する。よって単位元もない。

じゃんけんのマグマ

$J=\{g,c,p\}$(グー・チョキ・パー)に、二つの手の勝つほうを返す演算を入れる。同じ手どうしはその手自身を返す。

$\cdot$$g$$c$$p$
$g$$g$$g$$p$
$c$$g$$c$$c$
$p$$p$$c$$p$

表は対角線について対称なので演算は可換であり、すべての元が $xx=x$ を満たす(冪等である)。しかし
$$ (gc)p=gp=p,\qquad g(cp)=gc=g $$
なので結合的でない。可換性と冪等性をそろえても結合律は従わない。

左零マグマと写像の合成

任意の集合 $S$ に $x\cdot y:=x$ と定めた演算は結合的だが、$S$ が二元以上なら可換でない(二項演算 の例「左零演算と右零演算」)。また集合 $X$ からそれ自身への写像全体に合成を入れたものは、結合的で恒等写像を単位元とするマグマである。このように、結合的なマグマは至るところにあり、それらは次の記事 半群 の対象になる。

反例:閉じていない演算はマグマを与えない

自然数の減法は $2-3\notin\mathbb N$ なので $\mathbb N\times\mathbb N\to\mathbb N$ という写像にならず、$\mathbb N$ 上のマグマを与えない(代数構造 の注意「反例:自然数上で閉じない減法と除法」)。マグマであるための唯一の条件は、すべての組について積が定義され、同じ集合に値をとることである。

生成される部分マグマ

結合的な演算なら、$X$ が生成する部分マグマは $X$ の元の有限個の積 $x_1x_2\cdots x_n$ 全体である(Bou89 Chapter I §1 no. 4 Proposition 2、p. 7)。結合律がないと、同じ元の並びでも括弧の付け方ごとに別の元になりうるので、「何段階の積で作れるか」で数える必要がある。

生成される部分マグマの段階的な記述

マグマ $M$ の部分集合 $X$ に対し、$X_1:=X$、$n\ge2$ について
$$ X_n:=\bigcup_{\substack{p+q=n\\ p,q\ge1}}X_pX_q,\qquad X_pX_q:=\{xy\mid x\in X_p,\ y\in X_q\} $$
と定める。このとき
$$ \langle X\rangle=\bigcup_{n\ge1}X_n $$
である。

右辺を $U$ とおく。$x,y\in U$ なら、ある $p,q\ge1$ で $x\in X_p$、$y\in X_q$ であり、定義から $xy\in X_pX_q\subseteq X_{p+q}\subseteq U$ である。よって $U$ は閉じていて、$X=X_1\subseteq U$ だから $\langle X\rangle\subseteq U$ である。
逆に、$X$ を含む閉じた部分集合 $A$ を任意にとり、すべての $n\ge1$ で $X_n\subseteq A$ となることを $n$ についての累積的な数学的帰納法で示す。$X_1=X\subseteq A$ である。$n\ge2$ とし、$n$ 未満のすべての $m$ で $X_m\subseteq A$ と仮定する。$p+q=n$、$p,q\ge1$ なら $p,q< n$ なので $X_p,X_q\subseteq A$ であり、$A$ が閉じていることから $X_pX_q\subseteq A$ となる。よって $X_n\subseteq A$ である。したがって $U\subseteq A$ であり、$A$ として $\langle X\rangle$ をとれば $U\subseteq\langle X\rangle$ を得る。$\square$

$X_n$ は「$X$ の元をちょうど $n$ 個使い、括弧の付け方を一つ決めて計算した積」の全体である。同じ元が異なる $n$ の $X_n$ に属することもある。

減法で 1 から生成される部分マグマ

$(\mathbb Z,-)$ で $X=\{1\}$ とすると $\langle X\rangle=\mathbb Z$ である。$1-1=0$ だから $0\in\langle X\rangle$、$0-1=-1$ だから $-1\in\langle X\rangle$ である。$n\ge1$ について $-n\in\langle X\rangle$ なら $-n-1=(-n)-1\in\langle X\rangle$ であり、$n\ge1$ について $-(n-1)\in\langle X\rangle$ なら $n=1-(-(n-1))\in\langle X\rangle$ である。帰納法によりすべての整数が得られる。一方、$(\mathbb Z,+)$ で $\{1\}$ が生成する部分マグマは正の整数全体であり、同じ集合でも演算によって生成されるものが大きく変わる。

準同型と生成系

$f\colon M\to N$ をマグマの準同型、$X\subseteq M$ とする。

  1. $f(\langle X\rangle)=\langle f(X)\rangle$ である。
  2. 準同型 $g\colon M\to N$ が $X$ の上で $f$ と一致すれば、$\langle X\rangle$ の上でも一致する。特に $X$ が $M$ の生成系なら $f=g$ である。
  1. prop-mg-generated の記号で、$M$ における $X_n$ と、$N$ における $Y:=f(X)$ から作った $Y_n$ を比べる。$f(X_n)=Y_n$ を $n$ についての累積的な帰納法で示す。$n=1$ では定義そのものである。$n\ge2$ のとき、準同型性から $f(X_pX_q)=\{f(x)f(y)\mid x\in X_p,\ y\in X_q\}=f(X_p)f(X_q)$ であり、帰納法の仮定によりこれは $Y_pY_q$ に等しい。$p+q=n$ にわたって合併をとれば $f(X_n)=Y_n$ を得る。prop-mg-generated により $f(\langle X\rangle)=\bigcup_nf(X_n)=\bigcup_nY_n=\langle Y\rangle$ である。
  2. $E:=\{x\in M\mid f(x)=g(x)\}$ とおく。$x,y\in E$ なら $f(xy)=f(x)f(y)=g(x)g(y)=g(xy)$ なので $xy\in E$ であり、$E$ は閉じている。仮定から $X\subseteq E$ なので、$\langle X\rangle\subseteq E$ である。$\square$

2 は、準同型が生成系での値で決まることを述べている。準同型でない写像にはこの性質がない。$(\mathbb Z,-)$ の生成系 $\{1\}$ の上で恒等写像と一致する写像 $h(n)=|n|$ は、$\mathbb Z$ 全体では恒等写像と異なる。実際 $h$ は $h(0-1)=1\ne0-1=h(0)-h(1)$ なので準同型でない。

自由マグマ

括弧を付けた式そのものを元とするマグマを作る。$X$ を集合とする。

自由マグマ

集合の列 $M_n(X)$($n\ge1$)を、$M_1(X):=X$、$n\ge2$ について
$$ M_n(X):=\coprod_{p=1}^{n-1}M_p(X)\times M_{n-p}(X) $$
(直和、すなわち $p$ ごとに区別した非交和)で帰納的に定め、$M(X):=\coprod_{n\ge1}M_n(X)$ とおく。$w\in M_n(X)$ のとき $n$ を $w$ の長さといい $l(w)$ と書く。$w\in M_p(X)$、$w'\in M_q(X)$ に対し、組 $(w,w')$ を $M_{p+q}(X)$ の $p$ 番目の成分の元とみなしたものを $ww'$ と書く。このマグマ $M(X)$ を $X$ 上の自由マグマ(free magma)といい、$\iota\colon X=M_1(X)\to M(X)$ を包含写像とする。

$X=\{x,y\}$ なら、長さ $3$ の元は $(xx)x$、$x(xx)$、$(xy)x$、$x(yx)$ などであり、$(xx)x$ と $x(xx)$ は $M_2\times M_1$ と $M_1\times M_2$ という異なる成分に属するので異なる元である。$M(X)$ の元は、葉に $X$ の元を書いた左右を区別する二分木、あるいは完全に括弧を付けた語と考えてよい。定義から $l(ww')=l(w)+l(w')$ であり、長さ $2$ 以上の元は $w'w''$ の形にただ一通りに書ける。この構成は Bou89 Chapter I §7 no. 1(p. 81)による。

自由マグマの普遍性

任意のマグマ $N$ と写像 $u\colon X\to N$ に対し、$\overline u\circ\iota=u$ を満たすマグマの準同型 $\overline u\colon M(X)\to N$ がただ一つ存在する。
$$ \xymatrix{ X \ar[r]^{\iota} \ar[dr]_{u} & M(X) \ar@{.>}[d]^{\overline u} \\ & N } $$

存在を示す。写像 $\overline u_n\colon M_n(X)\to N$ を $n$ についての累積的な帰納法で定める。$\overline u_1:=u$ とする。$n\ge2$ で $\overline u_1,\dots,\overline u_{n-1}$ が定まっているとき、$M_n(X)$ の元は、ある $1\le p\le n-1$ と $w'\in M_p(X)$、$w''\in M_{n-p}(X)$ によって $w'w''$ とただ一通りに書けるので、
$$ \overline u_n(w'w''):=\overline u_p(w')\,\overline u_{n-p}(w'') $$
と定めれば写像が定まる。各 $M_n(X)$ の上で $\overline u_n$ に一致する写像を $\overline u\colon M(X)\to N$ とする。$w'\in M_p(X)$、$w''\in M_q(X)$ なら $w'w''\in M_{p+q}(X)$ であり、定義から $\overline u(w'w'')=\overline u(w')\overline u(w'')$ となる。よって $\overline u$ は準同型であり、$M_1(X)=X$ の上で $u$ に一致する。
一意性を示す。準同型 $v\colon M(X)\to N$ が $v\circ\iota=u$ を満たすとする。長さについての累積的な帰納法で $v(w)=\overline u(w)$ を示す。長さ $1$ では $v(x)=u(x)=\overline u(x)$ である。長さ $n\ge2$ の元は $w=w'w''$($w',w''$ の長さは $n$ 未満)と書けるので、
$$ v(w)=v(w')v(w'')=\overline u(w')\overline u(w'')=\overline u(w) $$
である。$\square$

$X=\emptyset$ のときは $M(X)=\emptyset$ であり、空の写像が唯一の準同型である。この場合も定理は成り立つ。普遍性は Bou89 Chapter I §7 no. 1 Proposition 1(p. 81)にある。モノイド の定理「語がもつ普遍性」は、結合律と単位元を課した場合の同じ形の性質である。

長さ n の元の個数

$X$ が $k$ 個の元からなる有限集合なら、$n\ge1$ について
$$ \# M_n(X)=C_{n-1}\,k^n $$
である。ここで $C_m$ は Catalan数 である。特に、$n$ 個の文字を並べた語 $x_1x_2\cdots x_n$ に完全に括弧を付ける方法は $C_{n-1}$ 通りある。

$a_n:=\#M_n(X)$ とおく。$M_n(X)$ は $M_p(X)\times M_{n-p}(X)$($1\le p\le n-1$)の非交和なので、$a_1=k$、$n\ge2$ で $a_n=\sum_{p=1}^{n-1}a_pa_{n-p}$ である。$a_n=C_{n-1}k^n$ を累積的な帰納法で示す。$n=1$ では $C_0=1$ より成り立つ。$m\ge1$ とし、$n\le m$ で成り立つと仮定すると
$$ a_{m+1}=\sum_{p=1}^{m}C_{p-1}k^p\,C_{m-p}k^{m+1-p}=k^{m+1}\sum_{i=0}^{m-1}C_iC_{m-1-i}=C_mk^{m+1} $$
となる。最後の等号は Catalan数 の命題「最初の復帰による漸化式」$C_m=\sum_{i=0}^{m-1}C_iC_{m-1-i}$ による。括弧の付け方の個数は、$x_1,\dots,x_n$ をすべて異なる文字とした $X$ の、各文字をちょうど一回ずつ順に使う長さ $n$ の元の個数であり、同じ漸化式 $b_1=1$、$b_n=\sum_{p=1}^{n-1}b_pb_{n-p}$ を満たすので $C_{n-1}$ に等しい。$\square$

たとえば $4$ 文字なら $C_3=5$ 通りで、$((ab)c)d$、$(a(bc))d$、$(ab)(cd)$、$a((bc)d)$、$a(b(cd))$ である。結合律が成り立つマグマでは、これらの値がすべて一致する(代数構造 の命題「一般化結合律」)。一般のマグマでは $5$ 個の値が異なりうるので、積を書くときは括弧を省略できない。

自由マグマの性質

$X\ne\emptyset$ とする。自由マグマ $M(X)$ は次を満たす。

  1. 結合的でない。$x\in X$ に対し $(xx)x\ne x(xx)$ である。
  2. $X$ が二元以上なら可換でない。
  3. 単位元も、$ww=w$ を満たす元(冪等元)ももたない。
  4. 左右の消去律が成り立つ。すなわち $ww'=ww''$ なら $w'=w''$、$w'w=w''w$ なら $w'=w''$ である。
  1. $(xx)x$ は $M_2(X)\times M_1(X)$ の成分、$x(xx)$ は $M_1(X)\times M_2(X)$ の成分に属するので異なる。2. $x\ne y$ なら組 $(x,y)\ne(y,x)$ なので $xy\ne yx$ である。3. 単位元 $e$ があれば $l(ex)=l(e)+l(x)>l(x)$ なので $ex\ne x$ となり矛盾する。$l(ww)=2l(w)\ne l(w)$ なので冪等元もない。4. 長さ $2$ 以上の元を $w'w''$ と書く表し方は一通りなので、$ww'=ww''$ なら組 $(w,w')$ と $(w,w'')$ が一致し、$w'=w''$ である。右側も同様である。$\square$

合同関係と準同型定理

マグマの商は、演算と両立する同値関係で作る。

合同関係と商マグマ

マグマ $M$ 上の同値関係 $\sim$ が、$x\sim x'$ かつ $y\sim y'$ ならば $xy\sim x'y'$ を満たすとき、$\sim$ を $M$ の合同関係(congruence)という。このとき商集合 $M/{\sim}$ 上の演算 $[x][y]:=[xy]$ は代表元の取り方によらず定まり(二項演算 の命題「商に演算が降りる条件」)、$M/{\sim}$ をマグマとみなしたものを商マグマという。標準射影 $\pi\colon M\to M/{\sim}$ は全射準同型である。

マグマの準同型定理

$f\colon M\to N$ をマグマの準同型とし、$M$ 上の関係を $x\sim_f y:\iff f(x)=f(y)$ で定める。

  1. $\sim_f$ は $M$ の合同関係であり、像 $f(M)$ は $N$ の部分マグマである。
  2. 写像 $\overline f\colon M/{\sim_f}\to f(M)$、$[x]\mapsto f(x)$ はマグマの同型である。
  3. 包含写像を $j\colon f(M)\to N$ とすると $f=j\circ\overline f\circ\pi$ である。
  1. $\sim_f$ は等号を写像で引き戻したものなので同値関係である。$x\sim_fx'$、$y\sim_fy'$ なら $f(xy)=f(x)f(y)=f(x')f(y')=f(x'y')$ なので $xy\sim_fx'y'$ である。$f(x)f(y)=f(xy)\in f(M)$ だから $f(M)$ は閉じている。
  2. $[x]=[x']$ は $f(x)=f(x')$ と同値なので、$\overline f$ は代表元によらず定まり、しかも単射である。$f(M)$ の元は $f(x)$ の形なので全射である。さらに
    $$ \overline f([x][y])=\overline f([xy])=f(xy)=f(x)f(y)=\overline f([x])\,\overline f([y]) $$
    なので準同型であり、全単射な準同型として同型である。
  3. 各 $x\in M$ で $j(\overline f(\pi(x)))=f(x)$ である。$\square$

この定理は Bou89 Chapter I §1 no. 6 Proposition 6(p. 11)にある。結合律・単位元・逆元を一度も使っていないので、半群・モノイド・群・環・束の準同型定理のうち「像は商と同型」という部分は、すべてこの定理に含まれる。

すべてのマグマは自由マグマの商

マグマ $M$ とその生成系 $X$ に対し、包含写像 $X\to M$ を延長した準同型 $\overline u\colon M(X)\to M$ は全射であり、$M$ は商マグマ $M(X)/{\sim_{\overline u}}$ と同型である。

thm-mg-free-universal により $\overline u$ が存在する。$M(X)$ は $X$ で生成される(長さ $2$ 以上の元はより短い元の積なので、長さについての帰納法で各元が $\langle X\rangle$ に属する)ので、prop-mg-hom-generated の 1 により $\overline u(M(X))=\langle\overline u(X)\rangle=\langle X\rangle=M$ である。thm-mg-isomorphism を $\overline u$ に当てはめればよい。$\square$

生成系として $X=M$ をとれば、すべてのマグマが自由マグマの商になる。商をとる合同関係を「関係式」とみなすのが、群の表示と同じ考え方である。
群では、合同関係は単位元の類(正規部分群)だけで決まる。マグマではそうならない。

最大値のマグマの合同関係

$(\mathbb N,\max)$ を考える。$\mathbb N$ を連続した区間に分けた分割は、どれも合同関係を与える。実際、各類が区間であるとし、$x\sim x'$、$y\sim y'$ とする。対称性から $y\le x$ としてよい。$x,y$ が同じ類なら四つの元はすべて同じ類にあり、$\max$ の値も同じ類にある。異なる類なら、類は区間で $y\le x$ なので $y$ の類全体が $x$ の類全体より小さく、$y'< x'$ である。よって $\max(x,y)=x\sim x'=\max(x',y')$ となる。
$0$ は $(\mathbb N,\max)$ の単位元である。そこで、すべての類が一点である合同関係と、$\{1,2\}$ だけを一つの類にまとめた合同関係を比べる。どちらも単位元 $0$ の類は $\{0\}$ だが、二つの合同関係は異なる。単位元の類からは合同関係が決まらない。

条件を加えて得られる構造

マグマに等式で書ける条件や元の存在を加えると、よく知られた構造が順に得られる。

マグマに加える条件得られる構造
結合律半群
両側の単位元の存在単位的マグマ
結合律と単位元の存在モノイド
結合律、単位元、すべての元の逆元群
交換律・結合律・冪等律半束(束 の命題「半束の順序と演算」により結び半束と同じもの)
すべての $a,b$ で $ax=b$、$ya=b$ がただ一つの解をもつ擬群(演算表の各行・各列に全元が一度ずつ現れる)

単位的マグマと半群の間には包含関係がないことは、単位的マグマ の「補足:代数構造の階層での位置と、二つの流儀」で例とともに確かめられている。

反例の表

外す条件反例成り立たなくなること
結合律じゃんけんのマグマ(ex-mg-rock-paper-scissors)積の値が括弧の付け方によらないこと:$(gc)p=p\ne g=g(cp)$
写像が演算を保つこと$(\mathbb Z,-)$ 上の絶対値 $h$生成系の上で一致する写像は全体で一致すること(prop-mg-hom-generated の 2)
始域が自由であること正の整数の加法 $(\mathbb Z_{>0},+)$ と生成系 $\{1\}$、行き先 $(\mathbb Z,-)$、$u(1)=1$生成系上の写像が準同型に延長できること
同値関係が演算と両立すること$(\mathbb Z,+)$ 上の $n\sim-n$商集合に演算が降りること

3 行目の確認:準同型 $f\colon(\mathbb Z_{>0},+)\to(\mathbb Z,-)$ で $f(1)=1$ となるものがあれば、$f(2)=f(1)-f(1)=0$ となり、$f(3)$ は $f(1+2)=1-0=1$ と $f(2+1)=0-1=-1$ の両方に等しくなって矛盾する。生成系 $\{1\}$ で生成されても、自由マグマと違い $1+2=2+1$ という関係式があるため、写像を勝手に延長できない。
4 行目の確認:$1\sim-1$、$1\sim1$ だが、和は $2$ と $0$ で $2\not\sim0$ である。したがって $[1]+[1]$ は代表元の取り方によって変わる。

文献

マグマ・準同型・部分マグマ・商マグマ・自由マグマの定義と基本性質は Bou89 Chapter I §1 no. 1・no. 4・no. 6(pp. 1–11)と §7 no. 1(p. 81)にある。二項演算一つの代数系としての位置づけは BS12 II §1 Definition 1.3(p. 23)にある。

関連項目

参考文献

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