モノイド

定義

モノイド

モノイド(monoid)とは,以下の3つのデータからなる.

  • 集合𝑀
  • 積と呼ばれる𝑀上の2項演算 ⋅ : 𝑀 × 𝑀 → 𝑀
  • 単位元 𝑒 ∈ 𝐺

これらは以下を満たす.

  • 積は結合的.つまり, ∀ ⁡ 𝑎 , 𝑏 , 𝑐 ∈ 𝑀 , 𝑎 ⁢ ( 𝑏 ⁢ 𝑐 ) = ( 𝑎 ⁢ 𝑏 ) ⁢ 𝑐
  • 𝑒∈𝐺は𝐺の両側単位元.つまり, ∀ ⁡ 𝑎 ∈ 𝑀 , 𝑒 ⁢ 𝑎 = 𝑎 ⁢ 𝑒 = 𝑎

準同型

モノイド𝑀,𝑁を与える.

写像 𝑓 : 𝑀 → 𝑁 で以下を満たすものを,(モノイド)準同型と呼ぶ.

  • ∀ ⁡ 𝑥 , 𝑦 ∈ 𝑀 , 𝑓 ⁡ ( 𝑥 ⁢ 𝑦 ) = 𝑓 ⁡ ( 𝑥 ) ⁢ 𝑓 ⁡ ( 𝑦 )
  • 𝑓 ⁡ ( 1 𝑀 ) = 1 𝑁

同型

全単射な準同型を同型(isomorphism)と呼ぶ.

同型の始域と終域の(組の)ことも同型(isomorphic)と呼ぶ.

モノイドは写像とその合成は,結合則さえ満たせば,恒等写像を単位元としてモノイドをなす.その表れっぽいのが次.

モノイドと単一対象圏

モノイドは対象が単一の圏と対応関係にある(後日ちゃんと書く).

以下一般のモノイドの性質を見ていくが,当然半群と単位的マグマの性質を合わせたものである.

同型定理

モノイドの圏の部分対象,正規対象,商対象を確認し,同型定理を示す.

部分モノイド

モノイド𝑀を与える.

𝑀の部分集合𝑁⊂𝑀が,𝑀の積に関してモノイドになる,つまり以下を満たすとき,𝑁を𝑀の部分モノイドと呼ぶ.

  • 𝑁 ⁢ 𝑁 ⊂ 𝑁
  • 1 ∈ 𝑁

自明な部分モノイド

モノイド𝑀を与える.

𝑀と,単位元のみからなる集合{1}は,𝑀の部分モノイドとなる.これらを𝑀の自明な部分モノイド(trivial submonoid)と呼ぶ.

それ以外の部分モノイドを非自明と呼ぶ.

生成系

を与える.

⟨ 𝑁 ⟩ ≔ ⋃ 𝑛 = 0 ∞ 𝑁 𝑛 は𝑁を含む最小の𝑀の部分モノイドとなる.これを𝑁で生成される部分モノイドと呼ぶ.

特に, 𝑀 = ⟨ 𝑁 ⟩ を満たすとき,𝑁を𝑀の生成系と呼ぶ.

正規・商モノイドを定義する準備をしよう.

関係の正規閉包

を与える.

∼の正規閉包 ∼ ncl に関して,以下が成り立つ. ∼ ncl = ⋃ 𝑛 = 0 ∞ ( 𝑀 ⋅ ( ∼ ∪ ∼ op ) ⋅ 𝑀 ) ∘ 𝑛

合同(正規関係)に関しては,マグマに同じ.

(左)単位的マグマと同様,合同に対する単位元の同値類を考えることが有用である.

正規部分モノイド

モノイド𝑀を与える.

部分モノイド𝑁で,以下を満たすものを正規部分モノイドと呼ぶ.

  • ∀ ⁡ 𝑥 ∈ 𝑁 , ∀ ⁡ 𝑦 ∈ 𝑀 , { 𝑥 ⁢ 𝑦 = 1 ⇒ 𝑦 ∈ 𝑁 𝑦 ⁢ 𝑥 = 1 ⇒ 𝑦 ∈ 𝑁
  • ∀ ⁡ 𝑥 , 𝑦 ∈ 𝑀 , 𝑥 ⁢ 𝑁 ⁢ 𝑦 ∩ 𝑁 ≠ ∅ ⇒ 𝑥 ⁢ 𝑁 ⁢ 𝑦 ⊂ 𝑁

正規部分モノイドの性質

モノイド𝑀,𝑀の正規部分モノイド𝑁を与えると,以下が成り立つ.

∀ ⁡ 𝑥 , 𝑦 ∈ 𝑀 , 𝑥 ⁢ 𝑦 ∈ 𝑁 ⇔ 𝑥 ⁢ 𝑁 ⁢ 𝑦 ⊂ 𝑁 ⇔ 𝑥 ⁢ 𝑁 ⁢ 𝑦 ∩ 𝑁 ≠ ∅

証明

𝑥 ⁢ 𝑁 ⁢ 𝑦 ∩ 𝑁 ≠ ∅ のとき, 𝑥 ⁢ 𝑁 ⁢ 𝑦 ⊂ 𝑁 だが,1∈𝑁より, 𝑥 ⁢ 𝑦 ∈ 𝑁 .

また, 𝑥 ⁢ 𝑦 ∈ 𝑁 のとき,再び1∈𝑁より, 𝑥 ⁢ 𝑁 ⁢ 𝑦 ∩ 𝑁 ≠ ∅

モノイドの正規閉包

モノイド𝑀を与える.

また,部分集合𝐴⊂𝑀に対し, 𝐴 ′ ≔ 𝐴 ∪ { 𝑦 ∈ 𝑀 | ∃ ⁡ 𝑥 ∈ 𝐴 , 𝑦 ⁢ 𝑥 = 1 } ∪ { 𝑦 ∈ 𝑀 | ∃ ⁡ 𝑥 ∈ 𝐴 , 𝑥 ⁢ 𝑦 = 1 } 𝑋 𝐴 ≔ { ( 𝑥 , 𝑦 ) ∈ 𝑀 × 𝑀 | 𝑥 ⁢ 𝐴 ⁢ 𝑦 ∩ 𝐴 ≠ ∅ } 𝐴 1 ≔ ⟨ 𝐴 ⟩ ′ 𝐴 𝑛 + 1 ≔ ⟨ ⋃ ( 𝑥 , 𝑦 ) ∈ 𝑋 𝐴 𝑛 𝑥 ⁢ 𝐴 𝑛 ⁢ 𝑦 ⟩ ′ と定める.

ncl ⁡ ( 𝐴 ) ≔ ⋃ 𝑛 = 1 ∞ 𝐴 𝑛 を𝐴の正規閉包(normal closure)と呼ぶ.

これにより,合同を与えることと,正規部分モノイドを与えることは等価であるとわかる.

商モノイド

モノイド𝑀を与える.

  • 𝑀の誘導する合同≡に対し, 𝑀 ∕ ≡ は自然な積 ∀ ⁡ 𝑥 , 𝑦 ∈ 𝑀 , [ 𝑥 ] ⋅ [ 𝑦 ] ≔ [ 𝑥 ⋅ 𝑦 ] に対してモノイドをなす.これを≡による商モノイドと呼ぶ.
  • 正規部分モノイド𝑁に対し,𝑁が誘導する合同∼による商モノイドが,上の意味で定義できる.これを𝑁による商モノイドと呼び, 𝑀 ∕ 𝑁 ≔ 𝑀 ∕ ∼ と表す.

核

を与える.

ker ⁡ 𝑓 ≔ 𝑓 − 1 ⁡ ( 1 𝑁 ) を𝑓の核と呼ぶ.

同型定理

第一同型定理
モノイド𝑀,𝑁と準同型 𝑓 : 𝑀 → 𝑁 を与えると,以下が成り立つ.
第二同型定理
モノイド𝑀,𝑀の部分モノイド𝑆,𝑀の正規部分モノイド𝑁を与えると,以下が成り立つ.
第三同型定理
モノイド𝑀,正規部分モノイド𝑁,𝑂を与え,𝑂⊂𝑁⊂𝑀を満たすとすると,以下が成り立つ.

性質

零モノイド

零モノイド(zero monoid)(または自明なモノイド(trivial monoid))とは,一元集合 ℤ 1 ≔ { 0 } に積を 0 + 0 ≔ 0 と定めたもので,明らかにモノイドとなる.

自由モノイド

自由モノイド

(文字の)集合𝐴を与える.

(集合)𝐴上の自由モノイド(free monoid)とは,以下のデータからなる.

  • 語(word)と呼ばれる(文字列の)集合 𝛺 𝐴 ≔ ⋃ 𝑛 = 0 ∞ 𝐴 𝑛
  • 2文字列の結合( 𝛺 𝐴 上の二項演算) ∀ ⁡ 𝑎 = ( 𝑎 1 , … , 𝑎 𝑚 ) , 𝑏 = ( 𝑏 1 , … , 𝑏 𝑛 ) ∈ 𝛺 𝐴 , 𝑎 ⁢ 𝑏 ≔ ( 𝑎 1 , … , 𝑎 𝑚 , 𝑏 1 , … , 𝑏 𝑛 )

形式的には上のようになるが,語(文字列)を数学的な列というより,「普通の」文字列として𝑚𝑜𝑛𝑜𝑖𝑑のように書く慣習である.

モノイドの表示

を与える.

以下の(本質的に等価な)いずれかの方法で表されるモノイドを,モノイドの表示と呼ぶ.

このとき(モノイドの生成系と同じ意味で)𝑋を生成系(generators)と呼ぶ.また,関係∼や𝑅,またはその正規閉包のことを関係(式)(relation)と呼ぶことがある.

参考文献

正規部分モノイドに関して
J. ELGUETA, “Normal Submonoids And Congruences On A Monoid,” Journal of the Australian Mathematical Society, vol. 116, no. 3, pp. 331–362, 2024. doi:10.1017/S1446788723000204