Теория групп в картинках

← Назад к материалам
Университет 29 Залы Теория групп Алгебра Симметрия

Дидактические цели

Первая лаборатория серии по теории групп, для старших классов или первого курса. Дальше — «Смежные классы и факторгруппы», «Гомоморфизмы и автоморфизмы» и «Центр, коммутаторы и разрешимые группы».

Группа здесь начинается не с аксиом, а с действий, оставляющих объект на месте: телефон, который четырьмя способами возвращается на своё место на столе, треугольник в рамке, вращающийся тетраэдр. Каждое положение — это ещё и действие (то, что переводит из начала в него), а выполнение действий подряд — это умножение. Затем одна и та же группа изображается тремя способами (диаграмма Кэли, цветная таблица умножения и граф циклов), и ученик учится узнавать её, даже когда рисунок меняется.

Соглашение — как у Картера: ab означает «сначала a, потом b», то есть идти по стрелкам диаграммы и читать формулу кубика Рубика слева направо.

Чему учатся

  • Узнавать группу в симметриях объекта и называть её элементы словами из образующих (r, f, r²f…).
  • Четыре правила группы (фиксированные действия, которые можно отменить, предсказуемые и выполнимые подряд) и их перевод на язык аксиом из учебников.
  • Строить и читать диаграммы Кэли: проходить по словам, видеть, что два пути в одну вершину — это равенство, менять образующие и замечать невозможные диаграммы.
  • Заполнять и читать таблицу умножения: свойство судоку, нейтральный элемент, обратные и симметрию относительно диагонали у абелевой группы.
  • Находить порядок элемента и читать его по графу циклов.
  • Работать с перестановками: запись циклами, композиция, чётность, Sₙ и Aₙ.
  • Решать, изоморфны ли две группы, сравнивая инварианты (порядок, абелевость, распределение порядков).
  • Считать повороты тетраэдра, куба и икосаэдра по типам осей и узнавать A₄, S₄ и A₅.
  • Видеть трёхмерные диаграммы Кэли как орбиты точки и читать по их граням соотношения между образующими.
  • Находить порядок формул кубика Рубика 2×2×2.

Ключевые математические идеи

  • Положение — это действие. В действии важно, где оказался объект, а не как он двигался по пути.
  • Порядок иногда важен. У телефона hv = vh; у квадрата rf ≠ fr = r³f.
  • Два пути, одна вершина, одно равенство. Соотношения вроде r³ = e или fr = r²f видны как замкнутые пути на диаграмме.
  • В каждой строке таблицы каждый элемент встречается один раз, потому что любое действие можно отменить.
  • Для маленьких групп изоморфизм решают инварианты. Группа телефона — не Z₄ (в ней нет элементов порядка 4); Q₈ — не Δ₄ (1 против 5 элементов порядка 2).
  • Правильные многогранники прячут A₄, S₄ и A₅. 24 поворота куба переставляют 4 его диагонали всеми 24 возможными способами.

Источники

Диаграммы, четыре правила и идея «положение = действие» — по книге Натана Картера Visual Group Theory (MAA, 2009). Подход через задачи и группы вращений многогранников — по книге В. Б. Алексеева «Теорема Абеля в задачах и решениях» по лекциям В. И. Арнольда. Код Group Explorer не используется.

Заметки для урока

  • «Телефон в чехле» можно провести с настоящим телефоном до открытия лаборатории: сколькими способами он возвращается на своё место на столе?
  • «Квадрат: r и f»: стоит задержаться на заданиях про rf и fr — здесь впервые важен порядок.
  • Трёхмерные залы хорошо смотрятся на проекторе; вид поворачивается перетаскиванием, а повороты делаются нажатием на концы осей.
  • «Зоопарк групп» полезен и как справочник во время второй лаборатории.

Содержание по залам

Зал 1 · Телефон в чехле

Нарисованный телефон с лицевой стороной (экран, часы) и обратной (камеры), который можно повернуть на пол-оборота, перевернуть слева направо или сверху вниз, с анимацией. Галерея заполняется найденными положениями, не говоря, сколько их; на четырёх действия получают имена e, r, h, v и комбинируются. Рассчитано на телефон: учитель может сначала показать это на своём.

Задания для ученика

  • Найти четыре положения.
  • Решить, какое одно действие равно двум или трём подряд (пять заданий).

Зал 2 · Треугольник в выемке

Треугольник с пронумерованными вершинами и двумя сторонами разного цвета; действия — поворот на 120° и переворот. Ищутся шесть положений, потом треугольник переводится в целевые положения за минимальное число ходов (если дольше — возврат в начало). В конце пятиугольник: 2n положений, группа Δₙ.

Задания для ученика

  • Найти шесть положений.
  • Дойти до трёх целей за минимальное число ходов.
  • Сосчитать положения пятиугольника.

Зал 3 · Квадрат: r и f

8 положений квадрата и их имена rᵏ и rᵏf, читаемые слева направо. Задания «где окажется после rf, fr, r²f…?» с иконками положений. rf и fr различаются: первая неабелева группа.

Задания для ученика

  • Сосчитать положения квадрата.
  • Определить положение для пяти слов.

Зал 4 · Четыре правила

Четыре правила Картера (фиксированные действия, которые отменяются, предсказуемы и выполняются подряд) и шесть примеров: группа ли это и какое правило нарушено — случайный поворот, часы, покраска, идеальная тасовка, добавление камней, кубик Рубика.

Задания для ученика

  • Решить в шести примерах, есть ли группа, и если нет, какое правило нарушено.

Зал 5 · Карта телефона

Когда телефон двигается, его диаграмма Кэли рисуется сама: узел на каждое положение (с иконкой) и линия цвета каждого действия. Потом по карте проходятся слова.

Задания для ученика

  • Достроить карту.
  • Пройти четыре слова и сказать, где они заканчиваются.

Зал 6 · Карта треугольника

Диаграмма Δ₃ из двух концентрических треугольников: внутренний проходит r в обратную сторону. Ученик нажимает узел, куда приводит слово; rf и fr ведут в разные места.

Задания для ученика

  • Пройти четыре слова.
  • Сравнить rf и fr.
  • Объяснить, почему внутренний треугольник идёт в обратную сторону.

Зал 7 · Два пути — одно место

Два пути в одну вершину — это равенство: r³ = e, f² = e, fr = r²f. Задания: записать более короткое слово, равное данному (Δ₃ и Δ₄), с экранной клавиатурой; принимается любой верный ответ, оба пути анимируются.

Задания для ученика

  • Укоротить шесть слов.

Зал 8 · Другие образующие — другой рисунок

Δ₃ с двумя отражениями даёт шестиугольник; Z₆ с r² и r³ — призму. Та же группа, другой рисунок. Какие элементы порождают Z₆.

Задания для ученика

  • Узнать одну группу на двух диаграммах.
  • Решить, какие степени r порождают Z₆.

Зал 9 · Невозможные диаграммы

Пять диаграмм: в одной не хватает стрелки, в другой из узла выходят или входят две стрелки одного цвета, ещё одна нерегулярна, и одна правильная. Нужно сказать, что не так.

Задания для ученика

  • Разобрать пять диаграмм.

Зал 10 · Таблица из карты

Клетка (a, b) = пойти в a и пройти путь b, с анимацией на диаграмме. Заполняются клетки Z₄ и Δ₃; (r, f) и (f, r) получаются разными.

Задания для ученика

  • Заполнить шесть клеток.

Зал 11 · Очень особое судоку

В каждой строке и столбце каждый элемент встречается один раз, потому что всё отменяется. Заполнить таблицы Z₄, Z₂×Z₂ и Z₅ только по этому правилу и узнать таблицы, которые не могут быть групповыми (повтор строки, нет единицы, неассоциативность с конкретной тройкой).

Задания для ученика

  • Заполнить три таблицы.
  • Найти невозможную таблицу в трёх наборах.

Зал 12 · Читаем цветную таблицу

Таблицы только из цветов: абелева ⇔ симметрична относительно диагонали; найти единицу и обратные.

Задания для ученика

  • Решить, абелевы ли три таблицы.
  • Найти единицу и два обратных.

Зал 13 · Повторять, пока не вернёшься

Порядок элемента на часах Z₁₂ (фишка проходит его степени) и на квадрате.

Задания для ученика

  • Найти семь порядков.

Зал 14 · Графы циклов

Каждый элемент и его степени образуют цикл через e. Сосчитать элементы каждого порядка и узнать группу по графу.

Задания для ученика

  • Сосчитать элементы порядка 2 и 4 в трёх группах.
  • Узнать два графа.

Зал 15 · Перестановки

Диаграммы проводов и запись циклами (принимается любая равносильная запись). Композиция перестановок; Δ₃ — это перестановки вершин: Δ₃ = S₃.

Задания для ученика

  • Записать две перестановки циклами.
  • Скомпоновать две пары перестановок.
  • Опознать r и f как перестановки.

Зал 16 · Умножение перестановок

Каждое число прослеживается по двум диаграммам проводов одна под другой: сначала σ, потом τ, слева направо (с предупреждением, что во многих книгах пишут наоборот). Задание с разбором по числам, затем произведения в S₃ и S₄ в записи циклами, στ против τσ, квадраты и обратные.

Задания для ученика

  • Найти восемь произведений, квадратов и обратных перестановок.

Зал 17 · Всё решает цикловой тип

Порядок перестановки — НОК длин её циклов, что проверяется повторением. Степени и обратные циклов, подсчёт по типам в S₄ и S₅.

Задания для ученика

  • Найти порядки, степени и обратные.
  • Сосчитать перестановки данного типа в S₄.

Зал 18 · Чётные и нечётные

Два совпадающих определения чётности: по пересечениям проводов (наглядное) и по транспозициям, k − 1 на цикл (классическое); Aₙ — чётные перестановки.

Задания для ученика

  • Определить чётность четырёх перестановок.
  • Назвать |A₄| и |A₅|.

Зал 19 · Та же группа?

Анимация превращения Z₂×Z₃ в Z₆. Пять вопросов об изоморфизме, решаемых по инвариантам (порядок, абелевость, распределение порядков).

Задания для ученика

  • Решить пять вопросов об изоморфизме.

Зал 20 · Переименовать, ничего не сломав

f(ab) = f(a)f(b) на двух таблицах рядом, Z₄ и Z₅*: выбирается f(r), виден словарь, и клетки проверяются по одной (зелёная или красная). Таблица Z₅* раскрашивается цветами Z₄ через f. Также Δ₃ → S₃ и телефон против Z₈*.

Задания для ученика

  • Построить изоморфизм Z₄ → Z₅*.
  • Найти клетку, где ломается биекция, не являющаяся гомоморфизмом.

Зал 21 · Z₈ — это не Z₄×Z₂

Три анимации: гонка порядков, попытка изоморфизма, которая не удаётся ни для одного образа r, и графы циклов рядом. Z₂×Z₂×Z₂ как третья абелева группа порядка 8.

Задания для ученика

  • Решить семь заданий о порядках и изоморфизме.

Зал 22 · Умножение по модулю n

Обратимые остатки по модулю n образуют группу Z*ₙ: часы умножения и таблица. Порядки, первообразные корни и опознание: Z₅* ≅ Z₄, Z₈* ≅ Z₂×Z₂, Z₇* ≅ Z₆, Z₁₅* ≅ Z₄×Z₂.

Задания для ученика

  • Найти обратимые остатки.
  • Найти порядки.
  • Опознать четыре группы Z*ₙ.

Зал 23 · Теорема Кэли

Каждый элемент g двигает узлы своей же диаграммы (x ↦ xg): эти стрелки — перестановка, и любая группа — подгруппа Sₙ. Анимированный пример Z₃ ⊂ S₃; перестановки Z₄ и V₄; затем поиск в S₄ (палитра из её 24 элементов) подгрупп, изоморфных Z₄, Z₂, V₄ и Δ₄, и обе диаграммы рядом с теми же положениями и цветами.

Задания для ученика

  • Прочитать три перестановки регулярного представления.
  • Найти в S₄ подгруппы, изоморфные Z₄, Z₂, V₄ и Δ₄.

Зал 24 · Повороты тетраэдра

Трёхмерный тетраэдр с осями, на которые нажимают, чтобы повернуть. Сосчитать оси и повороты: 12 ≅ A₄.

Задания для ученика

  • Сосчитать оси и повороты по типам.
  • Скомпоновать два поворота.
  • Узнать A₄.

Зал 25 · Повороты куба

24 вращения по типам осей (грани, диагонали, рёбра). С раскрашенными четырьмя диагоналями видно, что это S₄.

Задания для ученика

  • Сосчитать повороты каждого типа.
  • Узнать S₄.

Зал 26 · Повороты икосаэдра

60 вращений: 24 вокруг вершин, 20 вокруг граней, 15 вокруг рёбер и e ≅ A₅. В каждом задании видны только нужные оси.

Задания для ученика

  • Сосчитать оси и повороты по типам.
  • Узнать A₅.

Зал 27 · Диаграммы Кэли в 3D

Диаграммы Кэли как орбита точки: A₄ — усечённый тетраэдр, S₄ — ромбокубооктаэдр, A₅ — усечённый икосаэдр. Порядки образующих читаются по граням.

Задания для ученика

  • Сосчитать узлы.
  • Прочитать порядки a и ab.
  • Узнать многогранник S₄.

Зал 28 · Кубик Рубика 2×2×2

Трёхмерный кубик с анимированными поворотами и кнопкой повтора формулы со счётчиком. Порядок R, R U, R U', R U2, R U R' U' и R2 U2.

Задания для ученика

  • Найти порядок шести формул.

Зал 29 · Зоопарк групп

Обозреватель групп до 12 элементов, S₄ и A₅: таблица, граф циклов, диаграмма Кэли и свойства. Шесть загадочных групп по их свойствам.

Задания для ученика

  • Узнать шесть групп по свойствам.

Залы для показа

Самые наглядные для показа и обсуждения в классе.

★
Зал 1 · Телефон в чехле — Сначала сделать это с настоящим телефоном на столе, потом на экране.
★
Зал 3 · Квадрат: r и f — Момент, когда rf ≠ fr: остановиться и спросить класс до проверки.
★
Зал 27 · Диаграммы Кэли в 3D — Футбольный мяч A₅, вращающийся на проекторе.