Gruppentheorie

Die Gruppentheorie als mathematische Disziplin untersucht die algebraische Struktur von Gruppen.

Anschaulich besteht eine Gruppe aus den Symmetrien eines Objekts oder einer Konfiguration zusammen mit jener Verknüpfung, die durch das Hintereinanderausführen dieser Symmetrien gegeben ist. So bilden beispielsweise die Drehungen eines regelmäßigen $n$-Ecks in der Ebene, mit denen die Figur auf sich selbst abgebildet werden kann, eine Gruppe mit $n$ Elementen. Um dieses Konzept allgemein zu fassen, hat sich eine knappe und mächtige Definition herausgebildet: Demnach ist eine Gruppe eine Menge zusammen mit einer zweistelligen inneren Verknüpfung (durch die jedem geordneten Paar von Elementen eindeutig ein Element dieser Menge als Resultat zugeordnet wird), wenn diese Verknüpfung assoziativ ist und es ein neutrales Element gibt sowie zu jedem Element ein Inverses. So bildet zum Beispiel auch die Menge der ganzen Zahlen zusammen mit der Addition eine Gruppe.

Die systematische Untersuchung von Gruppen begann im 19. Jahrhundert und wurde durch konkrete Probleme ausgelöst, zunächst durch die Frage nach der Lösbarkeit von algebraischen Gleichungen, später durch die Untersuchung geometrischer Symmetrien. Dementsprechend stand zunächst die Untersuchung konkreter Gruppen im Vordergrund; erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden verstärkt abstrakte Fragestellungen untersucht. Wichtige Beiträge stammen unter anderem von Évariste Galois und Niels Henrik Abel in der Algebra sowie Felix Klein und Sophus Lie in der Geometrie. Eine der herausragenden mathematischen Leistungen des 20. Jahrhunderts ist die Klassifikation aller endlichen einfachen Gruppen, also der unzerlegbaren Bausteine aller endlichen Gruppen.

Die große Bedeutung der Gruppentheorie für viele Gebiete der Mathematik und ihrer Anwendungen resultiert aus ihrer Allgemeinheit, denn sie umfasst in einer einheitlichen Sprache sowohl geometrische Sachverhalte (Bewegungen des Raumes, Symmetrien etc.) als auch arithmetische Regeln (Rechnen mit Zahlen, Matrizen etc.). Vor allem in der Algebra ist der Begriff der Gruppe von grundlegender Bedeutung: Ringe, Körper, Moduln und Vektorräume sind Gruppen mit zusätzlichen Strukturen und Eigenschaften. Methoden und Sprechweise der Gruppentheorie durchziehen daher viele Gebiete der Mathematik. In Physik und Chemie treten Gruppen überall dort auf, wo Symmetrien eine Rolle spielen (z. B. Invarianz physikalischer Gesetze, Symmetrie von Molekülen und Kristallen). Zur Untersuchung solcher Phänomene liefern die Gruppentheorie und die eng verwandte Darstellungstheorie die theoretischen Grundlagen und eröffnen wichtige Anwendungen.

Zugang ohne mathematische Voraussetzungen

Gruppen werden in der Mathematik verwendet, um das Rechnen mit Zahlen zu verallgemeinern. Entsprechend besteht eine Gruppe aus einer Menge von Dingen (z. B. Zahlen, Symbolen, Objekten, Bewegungen) und einer Rechenvorschrift (eine Verknüpfung, in diesem Absatz als $\times$ dargestellt), die angibt, wie mit diesen Dingen umzugehen ist. Diese Rechenvorschrift muss dabei bestimmten Regeln genügen, den sogenannten Gruppenaxiomen, die im Folgenden erklärt werden.

Von einer Gruppe spricht man, falls für eine Menge zusammen mit einer Verknüpfung je zweier Elemente dieser Menge, hier geschrieben als $a\times b$, die folgenden Anforderungen erfüllt sind:

1. Die Verknüpfung zweier Elemente der Menge ergibt wiederum ein Element derselben Menge. (Abgeschlossenheit)
2. Für die Verknüpfung ist die Klammerung unerheblich, das heißt, es gilt $(a\times b)\times c=a\times (b\times c)$ für alle $a,b,c$. (Assoziativgesetz)
3. Es gibt ein Element $e$ in der Menge, das bezüglich der Verknüpfung nichts bewirkt, also ein $\times$-neutrales Element: $a\times e=e\times a=a$ für alle $a$.
4. Zu jedem Element $a$ gibt es bezüglich der Verknüpfung ein Umkehr-Element, also ein $\times$-inverses Element $a^{*}$. Dieses hat die Eigenschaft, beim Verknüpfen mit $a$ das neutrale Element zu ergeben: $a^{*}\times a=a\times a^{*}=e$.

Man beachte: Falls auf der Menge von mehreren Verknüpfungen die Rede ist, etwa $\times$ und $\circ$, dann gibt es mehrere neutrale und inverse Elemente, jeweils passend zur Verknüpfung. Wenn aus dem Kontext klar ist, dass nur eine bestimmte Verknüpfung gemeint ist, dann spricht man kurz von dem neutralen Element $e$ und dem inversen Element $a^{*}$ zu $a$ ohne die Verknüpfung nochmals explizit zu erwähnen.

• Wenn man zudem noch die Operanden vertauschen darf, wenn also stets $a\times b=b\times a$ gilt, dann liegt eine abelsche Gruppe vor, auch kommutative Gruppe genannt. (Kommutativgesetz)

Beispiele für abelsche Gruppen sind

• die ganzen Zahlen $\mathbb {Z}$ mit der Addition $+$ als Verknüpfung und der Null als neutralem Element,
• die rationalen Zahlen $\mathbb {Q}$ ohne Null mit der Multiplikation $\cdot$ als Verknüpfung und der Eins als neutralem Element. Die Null muss hierbei ausgeschlossen werden, da sie kein inverses Element besitzt: „1/0“ ist nicht definiert.

Die sehr allgemeine Definition von Gruppen ermöglicht es, nicht nur Mengen von Zahlen mit entsprechenden Operationen als Gruppen aufzufassen, sondern auch andere mathematische Objekte mit geeigneten Verknüpfungen, die die obigen Anforderungen erfüllen. Ein solches Beispiel ist die Menge der Drehungen und Spiegelungen (Symmetrietransformationen), durch die ein regelmäßiges n-Eck auf sich selbst abgebildet wird, mit der Hintereinanderausführung der Transformationen als Verknüpfung (Diedergruppe).

Definition einer Gruppe

→ Hauptartikel: Gruppe (Mathematik)

Eine Gruppe ist ein Paar $(G,*)$. Dabei ist $G$ eine Menge und $*$ eine zweistellige Verknüpfung bezüglich $G$. Das heißt, dadurch wird die Abbildung $*\colon G\times G\to G,(a,b)\mapsto a*b$ beschrieben. Zudem müssen die folgenden Axiome für die Verknüpfung erfüllt sein, damit $(G,*)$ als Gruppe bezeichnet werden kann:

• Assoziativität: Für alle Gruppenelemente $a$, $b$ und $c$ gilt: $(a*b)*c=a*(b*c).$
• Es gibt ein neutrales Element $e\in G$, mit dem für alle Gruppenelemente $a\in G$ gilt: $a*e=e*a=a$.
• Zu jedem Gruppenelement $a\in G$ existiert ein inverses Element $a^{-1}\in G$ mit $a*a^{-1}=a^{-1}*a=e$.

Eine Gruppe $(G,*)$ heißt abelsch oder kommutativ, wenn zusätzlich das folgende Axiom erfüllt ist:

• Kommutativität: Für alle Gruppenelemente $a$ und $b$ gilt $a*b=b*a$.

Andernfalls, d. h., wenn es Gruppenelemente $a,b\in G$ gibt, für die $a*b\neq b*a$ ist, heißt die Gruppe $(G,*)$ nicht-abelsch (oder nicht-kommutativ).

Beispiele

Bekannte Beispiele für Gruppen sind:

• Kleinsche Vierergruppe (abelsch)
• symmetrische Gruppe (nicht-abelsch für n > 2)
• alternierende Gruppe (nicht-abelsch für n > 3)
• Diedergruppe (nicht-abelsch für n > 2)
• Quaternionengruppe (nicht-abelsch)
• Triviale Gruppe: Besteht nur aus dem neutralen Element

Eine ausführlichere Aufzählung finden Sie in der Liste kleiner Gruppen.

Grundkonzepte der Gruppentheorie

Ordnung einer Gruppe

Die Mächtigkeit (Kardinalität) $|G|$ der Trägermenge der Gruppe nennt man Ordnung der Gruppe oder kurz Gruppenordnung. Für endliche Mengen ist dies einfach die Anzahl der Elemente.

Ordnung von Elementen

Ergibt ein Element $a$ der Gruppe, endlich viele Male $n$ mit sich selbst verknüpft, das neutrale Element 1, d. h. gilt für ein geeignetes n: $a^{n}=1$, so nennt man das kleinste derartige $n>0$ die Ordnung des Elements $a$. Falls kein solches $n$ existiert, sagt man, dass $a$ unendliche Ordnung hat. In beiden Fällen entspricht die Ordnung des Elements der Ordnung der von ihm erzeugten Untergruppe.

Davon ausgehend kann man zeigen, dass die Ordnung jedes Elements einer endlichen Gruppe endlich ist und die Gruppenordnung teilt (Satz von Lagrange).

Die kleinste Zahl $n$, für welche $a^{n}=1$ für alle Gruppenelemente $a$ zugleich erfüllt ist, wird Gruppenexponent genannt.

Untergruppen

Ist $H$ eine Teilmenge der Trägermenge $G$ einer Gruppe $(G,*)$ und ist $(H,*)$ selbst eine Gruppe, so nennt man $H$ eine Untergruppe von $G$.

Hierzu ein wichtiger Satz (Satz von Lagrange): Die Ordnung (Anzahl der Elemente) jeder Untergruppe $H$ einer endlichen Gruppe $G$ ist ein Teiler der Ordnung der Gruppe $G$, da gilt $|G|=[G:H]\cdot |H|$. Ist speziell $|G|$ eine Primzahl, dann hat $G$ nur die (trivialen) Untergruppen $\{e\}$ (bestehend aus dem neutralen Element) und $G$ selbst.

Nebenklassen

Definiert man auf der Gruppe $G$ mit einer Untergruppe $H$ die Relation $\sim$ durch:

$a\sim b\Leftrightarrow a^{-1}*b\in H$,

erhält man eine Äquivalenzrelation auf $G$. Die Äquivalenzklasse zu einem Element $a\in G$ (d. h. die Klasse aller Elemente $b$, die zu $a$ in der Relation $\sim$ stehen), ist die Menge

$\{a*u\mid u\in H\}$.

Für diese Menge schreibt man $a*H$ oder $aH$. Da diese Menge alle Elemente von $G$ enthält, die dadurch entstehen, dass das Element $a$ mit allen Elementen aus $H$ verknüpft wird, heißt sie die Linksnebenklasse von $H$ nach dem Element $a$.

Wenn man andererseits eine Relation $a\backsim b$ durch

$a\backsim b\Leftrightarrow b*a^{-1}\in H$,

definiert, dann ist dies normalerweise eine andere Äquivalenzrelation und die Menge der zu $a$ äquivalenten Elemente in $G$ jetzt

$\{u*a\mid u\in H\}$,

die durch Rechtsverknüpfung der Elemente aus $H$ mit dem Element $a$ entsteht. Sie wird mit $H*a$ oder $Ha$ bezeichnet und Rechtsnebenklasse von $H$ nach dem Element $a$ genannt.

Induzierte Verknüpfung

Ist $H$ ein Normalteiler (siehe unten), dann sind die Linksnebenklassen identisch mit den Rechtsnebenklassen und man kann auf den Nebenklassen eine Verknüpfung definieren:

$a_{1}H*a_{2}H:=a_{1}*a_{2}H$

Die Verknüpfung ist wohldefiniert, da $H$ ein Normalteiler ist; sie also nicht abhängig von der Wahl der Repräsentanten $a_{1}$ und $a_{2}$ in ihrer Nebenklasse. (Ist $H$ nicht Normalteiler, dann gibt es Nebenklassen mit Repräsentanten, die verschiedene Ergebnisse produzieren.)

Eine nichtleere Teilmenge $M\subseteq G$ einer Gruppe $G$ ist genau dann eine Links- oder Rechtsnebenklasse einer Untergruppe, wenn mit Elementen $a,b,c\in M$ stets auch das Element $a*b^{-1}*c\in M$ ist.

Beispiel

Wir betrachten die ganzen Zahlen mit der Addition als Gruppe $G$. Dann ist die Menge $H=\left\{\ldots ,-3,0,3,6,\ldots \right\}$ aller ganzzahligen Vielfachen von 3 eine Untergruppe. Es ergeben sich 3 Rechtsnebenklassen:

H     H+1   H+2  H+3=H  H+4=H+1 ...

...   ...   ...
-6    -5    -4
-3    -2    -1
 0     1     2
 3     4     5
 6     7     8
...   ...   ...

Da $H$ die Menge der durch 3 teilbaren Zahlen ist, sind die Nebenklassen $H+r$ gerade die Restklassen modulo 3. Die Tabelle enthält alle ganzen Zahlen, wobei keine Zahl zweimal vorkommt, in einer gemeinsamen Spalte stehen jeweils die Zahlen, die beim Teilen durch drei den gleichen Rest $r$ lassen.

Jetzt mag man versucht sein, hier nur mit den Nebenklassen zu rechnen, also modulo 3, und sich fragen, ob es so ein Konzept zu jeder Untergruppe für beliebige Gruppen gibt. Dies führt zur folgenden Definition:

Normalteiler

Ist für jedes Element $a\in G$ die linke Nebenklasse von $H$ gleich der rechten, d. h. $aH=Ha$, so nennt man $H$ einen Normalteiler von $G$.

In einer kommutativen Gruppe ist jede Untergruppe ein Normalteiler.

Faktorgruppe

Die Linksnebenklassen (oder auch die Rechtsnebenklassen) bezüglich einer Untergruppe teilen die Gruppe (als Menge angesehen) in disjunkte Teilmengen auf. Ist die Untergruppe sogar ein Normalteiler, so ist jede Linksnebenklasse zugleich eine Rechtsnebenklasse und wird ab jetzt nur Nebenklasse genannt. Für zwei gegebene Nebenklassen ist die Menge aller möglichen Produkte eines Elements der einen Nebenklasse mit einem Element der anderen Nebenklasse wieder eine Nebenklasse. Man kann die Nebenklassen damit als Elemente einer neuen Gruppe, der Faktorgruppe, ansehen.

Bei der Konstruktion der Faktorgruppe ignoriert man insbesondere, dass die Nebenklassen „eigentlich“ Mengen von Gruppenelementen sind. Die Faktorgruppe ist eine Art vergröbertes Abbild der originalen Gruppe.

Die Elemente der Faktorgruppe von $G$ bezüglich $N$ sind die Nebenklassen $gN$ für $g\in G$, und die Verknüpfung ist wie folgt gegeben

$g,h\in G,N\trianglelefteq G\quad (gN)*(hN)=(g*h)N.$

Diese Definition ist konsistent, da das Ergebnis von der Wahl der Elemente g und h aus den Nebenklassen unabhängig ist. Man nennt die Verknüpfung dann wohldefiniert.

Die mit den Nebenklassen als Elementen und dieser Verknüpfung definierte Gruppe nennt man die Faktorgruppe von $G$ bezüglich $N$.

Zyklische Gruppen

Gibt es in $G$ ein Element $a$, so dass man jedes andere Element als Potenz $a^{n}$ (mit einer ganzen Zahl $n$, die auch negativ sein darf) schreiben kann, so nennt man $G$ eine zyklische Gruppe und $a$ erzeugendes Element.

Klassifikation der endlichen einfachen Gruppen

Eine nicht-triviale Gruppe heißt einfach, wenn sie keine Normalteiler außer der trivialen Gruppe und sich selbst hat. Beispielsweise sind alle Gruppen von Primzahlordnung einfach. Die einfachen Gruppen spielen eine wichtige Rolle als „Grundbausteine“ von Gruppen. Seit 1982 sind die endlichen einfachen Gruppen vollständig klassifiziert. Jede gehört entweder zu einer der 18 Familien endlicher einfacher Gruppen oder ist eine der 26 Ausnahmegruppen, die auch als sporadische Gruppen bezeichnet werden.

Ausblick

Rubiks Zauberwürfel als Beispiel einer endlichen nichtabelschen Gruppe

Die Eigenschaften endlicher Gruppen lassen sich mit dem Zauberwürfel veranschaulichen, der seit seiner Erfindung vielfach im akademischen Unterricht eingesetzt wurde, weil die Permutationen der Ecken- und Kantenelemente des Würfels ein sichtbares und handgreifliches Beispiel einer Gruppe darstellen.

Anwendungen

Chemie

Die Koordinaten der Atome der Moleküle in ihrer Gleichgewichtskonformation lassen sich mit Hilfe von Symmetrieoperationen (Spiegelung, Drehung, Inversion, Drehspiegelung) auf sich selbst abbilden. Die Symmetrieoperationen haben die Eigenschaften von Gruppen, die so genannten Punktgruppen. Außerdem kann gezeigt werden, dass die Gruppentheorie auch für die Symmetrie von Funktionen gilt, also auch für Wellenfunktionen in der Quantenmechanik.

Beispielanwendungen

• Quantenchemie
  • Der Rechenaufwand von quantenchemischen Rechnungen kann unter Benutzung der Gruppentheorie erheblich verringert werden, z. B. hat ein Hamiltonoperator die gleiche Symmetrie wie sein System.
  • Weiterhin ist sie hilfreich zur Beschreibung von SALKs (Symmetrieadaptierten Linearkombinationen aus Atomorbitalen), was in der MO-Theorie und Ligandenfeldtheorie Anwendung findet.
  • Weiterhin findet die Gruppentheorie Anwendung bei der Theorie der Erhaltung der Orbitalsymmetrie (siehe: Woodward-Hoffmann-Regeln).

• Spektroskopie
  • Die Gruppentheorie ist auch für die Infrarotspektroskopie von Bedeutung, IR-, Raman-Eigenschaften, Vorhandensein von Quadrupol- und Octopolmoment können direkt aus der Charaktertafel eines Moleküls abgelesen werden.
  • In der NMR-Spektroskopie sind Protonen, die sich durch Spiegelung aufeinander abbilden lassen chemisch äquivalent und ergeben darum im Spektrum die gleiche chemische Verschiebung.

• Physikalische Eigenschaften
  • Ein permanentes elektrisches Dipolmoment können nur Moleküle der Punktgruppen $C_{nv}$ und $C_{2}$ haben
  • Chiralität/optische Aktivität
    • Moleküle, die keine Drehspiegelachse $S_{n}$ aufweisen, sind chiral und daher optisch aktiv, z. B. Brom-chlor-iod-methan
    • Moleküle, die eine Spiegelachse haben, sind nicht optisch aktiv, auch wenn sie chirale Zentren enthalten, z. B. Meso-Verbindungen. Chirale Katalysatoren in der enantioselektiven Synthese enthalten oft Liganden mit $C_{2}$-Symmetrie, damit sich definierte Komplexe bilden.

• Kristallographie
  • In der Kristallographie kommt die Gruppentheorie durch die Einordnung von Kristallstrukturen in die 230 möglichen Raumgruppen vor.

Physik

In der Quantenmechanik sind Symmetriegruppen als Gruppen von unitären oder antiunitären Operatoren realisiert. Die Eigenvektoren einer maximalen, abelschen Untergruppe dieser Operatoren zeichnet eine physikalisch wichtige Basis aus, die zu Zuständen mit wohldefinierter Energie oder Impuls oder Drehimpuls oder Ladung gehört. Beispielsweise bilden in der Festkörperphysik die Zustände in einem Kristall mit einer fest gewählten Energie einen Darstellungsraum der Symmetriegruppe des Kristalls.

Siehe auch

• Der Begriff kartesische Gruppe bezeichnet in der synthetischen Geometrie einen Ternärkörper mit bestimmten Zusatzeigenschaften.

Literatur

• Pavel S. Alexandroff: Einführung in die Gruppentheorie. Deutsch, Frankfurt 2007, ISBN 978-3-8171-1801-4.
• Hans Kurzweil, Bernd Stellmacher: Theorie der endlichen Gruppen - eine Einführung. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-60331-X.
• Thorsten Camps, et al.: Einführung in die kombinatorische und die geometrische Gruppentheorie. Heldermann, Lemgo 2008, ISBN 978-3-88538-119-8.
• Oleg Bogopolski: Introduction to group theory. European Math. Soc., Zürich 2008, ISBN 978-3-03719-041-8.

Weblinks

• Gruppenzwang – eine Einführung in die Gruppentheorie auf Matroids Matheplanet
• Online-Werkzeug zur Erstellung von Gruppentafeln (englisch)