Научная статья на тему 'Свойства еильно зависимых n-арных полугрупп'

Свойства еильно зависимых n-арных полугрупп Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
45
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
N-АРНЫЕ ПОЛУГРУППЫ / СИЛЬНО ЗАВИСИМЫЕ ФУНКЦИИ / ГРУППА АВ-ТОТОПИЙ / N-ARY SEMIGROUP / STRONGLY DEPENDENT FUNCTION / AUTOTOPY GROUP

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Черемушкин Александр Васильевич

Приводится обзор результатов о свойствах сильно зависимых n-арных полугрупп, обобщающих известные результаты о строении и свойствах n-арных групп. Класс сильно зависимых функций является расширением класса n-арных квазигрупп. Рассмотрены варианты обобщения понятия существенной зависимости функции от переменной. Поясняется, что класс сильно зависимых функций, с одной стороны, наследует многие важные свойства квазигрупп с точки зрения применения операции бесповторной суперпозиции. С другой стороны, в некоторых случаях он является очень широким и в него попадают почти все функции. Приведены аналоги теорем Поста и Глускина Хоссу, содержащие общее описание строения сильно зависимых n-арных полугрупп. Описано строение групп автотопий таких операций.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Properties of strong dependance n-ary semigroups

The paper presents results about the structure of strongly dependent n-ary operations on a finite set that satisfy the associativity identities for the n-ary semigroup, n ^ 3. It is shown that their description is reduced to the description of binary semigroups with a unit satisfying certain properties. The information is based on the proof of analogues of the Post and Gluskin Hossu theorems for the case of strongly dependent operations. It is also proved that any strong dependence binary semigroup is a monoid. A description of autotopy groups of strongly dependent n-ary semigroup is also given.

Текст научной работы на тему «Свойства еильно зависимых n-арных полугрупп»

УДК 512.538 DOI 10.17223/2226308X/12/10

СВОЙСТВА ОИЛЬНО ЗАВИСИМЫХ n-АРНЫХ ПОЛУГРУПП

А. В. Черемушкин

Приводится обзор результатов о свойствах сильно зависимых n-арных полугрупп, обобщающих известные результаты о строении и свойствах n-арных групп. Класс сильно зависимых функций является расширением класса n-арных квазигрупп. Рассмотрены варианты обобщения понятия существенной зависимости функции от переменной. Поясняется, что класс сильно зависимых функций, с одной стороны, наследует многие важные свойства квазигрупп с точки зрения применения операции бесповторной суперпозиции. С другой стороны, в некоторых случаях он является очень широким и в него попадают почти все функции. Приведены аналоги теорем Поста и Глускина — Хоссу, содержащие общее описание строения сильно зависимых n-арных полугрупп. Описано строение групп автотопий таких операций.

Ключевые слова: n-арные полугруппы, сильно зависимые функции, группа автотопий.

1. Варианты определения понятия зависимости функции от переменной

Для двоичных функций важную роль играет понятие существенной зависимости функции от переменной. При переходе к функциям k-значной логики понятие зависимости может быть определено различными способами. Рассмотрим четыре варианта такого определения.

Пусть X — непустое конечное множество. Рассмотрим следующие классы функций вида f : Xn ^ X при n ^ 2.

Класс Фо состоит из всех функций, существенно зависящих от всех своих переменных, т. е. Vi, 1 ^ i ^ n, 3ai,..., ai-i, ai+i,..., an G X 3x, y G X, такие, что

f (ai,... ,a¿_i,x,ai+i,..., an) = f (ai,..., a¿_i, y, a¿+b ... ,an). (1)

Класс Ф! состоит из всех сюрьективных функций f, таких, что Vi Vx,y G X 3ai,..., ai-i, ai+i,... , an G X, такие, что выполнено неравенство (1). Этот класс был введён в [1] при изучении свойств операций, удовлетворяющих тождествам (i, j^ассоциативности для пар {i, j}, содержащихся в некотором множестве M. Как показано в [1], для функций из этого класса выполнение тождеств ассоциативности для множества M равносильно выполнению тождества ассоциативности только для некоторой одной пары.

Класс Ф2 состоит из сильно зависимых функций, т. е. Vi 3ai,... , ai-i, ai+i,... , anGX, такие, что унарная функция f (ai,... , ai-i, ai+i... , an) является подстановкой по переменной x¿. Для конечных множеств X этот класс функций замкнут относительно операции бесповторной суперпозиции, т. е. бесповторная суперпозиция таких функций является сильно зависимой в том и только в том случае, когда каждая из функций, участвующих в суперпозиции, также является сильно зависимой [2].

Класс Ф3 состоит из n-квазигрупп на множестве X, т. е. Vi Vai,..., ai-i, ai+i,..., an G G X унарная функция f (ai,... , ai-i, ai+i,... , an) является подстановкой по переменной x¿. Изучению свойств n-квазигрупп уделялось наибольшее внимание в связи с их многочисленными применениями в области комбинаторики, теории кодирования, планировании эксперимента и т.д. (см., например, [3]). Этот класс также замкнут относительно операции бесповторной суперпозиции.

В общем случае имеют место включения Ф3 С Ф2 С Ф1 С Ф0, причём при к = 2 Ф0 = Ф1 = Ф2 и при каждом п ^ 1 класс Ф0 содержит только две функции, а при к > 2 все включения оказываются строгими. Приведём оценки мощностей этих классов. Для классов Ф0 и Ф1 из определения вытекают неравенства

кк" — пкк"-1 ^ |Ф0| ^ кк" — кк"-1, кк" — пк(к-!)к"-1 ^ |Ф1| ^ кк" — к^1^"-1.

Значит, 1 > |Ф0|/кк" ^ |Ф1|/кк" — 1 при п ^ 2, к ^ 2 и тах{п, к} — то, так как всегда

пкк" 1 п пк(к-1)к" 1 п

ккп = к(к-1)кп-1 ^ ккп = кк"-1 —

Для класса Ф2 имеем

кк" — п(кк — к!)к"-1 ^ |Ф2| ^ кк" — (кк — к!)к"-1.

Поэтому при п — то и фиксированном к почти все функции к-значной логики являются сильно зависимыми, а при к — то в общем случае имеет место

Утверждение 1 [4, 5]. Пусть е > 0 и к — то. При п > к/1п к + 1/2 + е почти все функций к-значной логики от п переменных являются сильно зависимыми. Если п < к/1п к + 1/2 — е, то почти все функции к-значной логики от п переменных не являются сильно зависимыми.

Так как классы Ф0 и Ф1 не замкнуты относительно операции бесповторной суперпозиции, то при изучении полугрупповых операций, удовлетворяющих тождествам ассоциативности, имеет смысл рассматривать только сильно зависимые функции.

2. Строение еильно зависимых п-арных полугрупп

Напомним, что моноидом называется бинарная полугруппа с единицей. Подмоноид моноида О = (X, о) —это подмножество Н моноида С, которое замкнуто относительно операции о. Единица моноида Н должна совпадать с единицей моноида С.

При п =2 каждая бинарная полугруппа (X, *) с сильно зависимой операцией * является моноидом. В частности, ассоциативная квазигруппа является группой. Этот факт вытекает из следующих утверждений, доказанных в [6, с. 57]:

1) Если для бинарной операции * найдутся элементы а,Ь Е X, такие, что трансляции Ьа = (аХх) и Яь = (хХь) являются подстановками, то операция * главно-изотопна операции с единицей, причём изотопия имеет вид (Я-1, Ь-1, г^).

2) Если бинарная операция с единицей о изотопна ассоциативной операции *, то операция о изоморфна операции *, при этом изоморфизм имеет вид ^ = Ь-1 Я-1 (теорема А. А. Алберта).

Пусть п ^ 3. Непустое конечное множество X с заданной на нём п-арной операцией f называется п-арной полугруппой (п-полугруппой), если при всех г, ], 1 ^ г < ] ^ п, выполняются тождества {г,^}-ассоциативности

У(Ж^ . . . , Xi-l, (Xi, . . . , xi+n, . . . , х2га-1) =

У (х1, . . . , х^-1, У (х7 , . . . , 1), xj+n, . . . , х2п-1) ,

х 1,... , хп Е X. Если при этом п-полугруппа является п-квазигруппой, то она называется п- группой. Строение произвольной п-арной групповой операции впервые описано Э. Постом в [7] в терминах так называемой обёртывающей группы. Оказывается, что в случае сильно зависимых п-арных полугрупп можно получить аналогичное описание. В данном случае вместо группы используется моноид.

Определение 1. Назовём моноид G = (X, о) обёртывающим для п-арной полугруппы (X, у) с сильно зависимой операцией У , если X С X, множество X порождает моноид О, а п-арная операция У связана с бинарной операцией в моноиде О равенством

У (х1, х2,..., хп) = х1 о х2 о ... о хп, х1,х2,...,хп € X. (2)

Теорема 1 (аналог теоремы Э. Поста [8]). Пусть п ^ 3. Для конечной п-арной полугруппы (X, У) с сильно зависимой операцией У найдётся обёртывающий моноид О = (X, о), такой, что при некотором обратимом элементе а Е X множеству X0 = = X о а-1 соответствует: подмоноид Н = о), удовлетворяющий условиям О = (X), а о Xо о а-1 = Xо и |Х| | ^(п — 1).

Если элемент д обратим, то |Н *д| = |Н | и при 0 ^ г < ^ £ — 1, где £ — минимальное натуральное число с условием д* Е Н, выполняются равенства |Н о gi | = |Н о д-71 и (Нод^ П (Нод7) = 0. Если О = (Н, д), то для моноида О справедливо равенство |О| = = |Н| • Поэтому в этом случае можно говорить, что моноид О допускает разложение на смежные классы по подмоноиду Н.

Таким образом, теорема Поста утверждает, что операция исходной п-арной полугруппы (X, У) по сути совпадает с ограничением операции х1 о х2 о ... о хп на смежный класс X = X0 о а обёртывающего моноида О = (X, о).

Другой способ описания строения п-арной групповой операции получен в работах Л. М. Глускина [9] и М. Хоссу [10]. Аналог их результата для случая сильно зависимых функций имеет следующий вид:

Теорема 2 (аналог теоремы Глускина — Хоссу [5]). Если У — ассоциативная сильно зависимая п-арная операция на конечном множестве X, то для некоторого моноида (X, *), обратимого элемента а и автоморфизма в этого моноида, таких, что вп-1(х) = а * х * а-1, в(а) = а, справедливо тождество

У(х1,... ,хп) = х1 * в(х2) * в2(хз) * ... * вп-1(хп) * а, (3)

жi Е X, г = 1,..., п.

В работе [11] обсуждается взаимосвязь теорем Поста и Глускина — Хоссу и утверждается, что они, по-сути, являются различными формами одного и того же результата. В данном случае это также справедливо и легко устанавливается при переходе от записи функции У с использованием операции о в обёртывающем моноиде к записи функции У с использованием операции * на самом смежном классе X = X0 о а.

Если исходить из теоремы 1, то обозначим через ^ внутренний автоморфизм обертывающего моноида <^(х) = а о х о а-1 и соответственно подмоноида X0. Записывая элементы смежного класса X = X0 о а как жi = ^ о а, где х^ а Е X, ^ Е X0, г = 1,..., п, получаем

У (х1,х2, ...,хп) = х1 о х2 о ... о хп =

= (г1 о а) о (¿2 о а) о ... о (¿п о а) =

= г1 о (а о ¿2 о а-1) о (а2 о ¿2 о а-2) о ... о (ап-1 о ¿п о а-(п-1)) о ап = = ¿1 о ^(¿2) о ^2(^з) о ... о ^п-1(^п) о ап.

С другой стороны, поскольку 1^X0) = X0 и ^(а) = а, то ^ оставляет на месте смежный класс X, так как ^^) = о а) = о а = ^^). Пусть х * у = х о а-1 о у. Если

х, у Е X, то х * у Е X. Потому * может рассматриваться как операция на смежном

классе X. При этом отображение ^ также является гомоморфизмом относительно операции * на X, так как <^(ж * у) = <^(ж о а-1 о у) = <^(ж) о а-1 о ^(у) = <^(ж) * ^(у). Произведём обратную замену переменных ^ на ж^:

/(жьж2,...,жп) = о ^(¿2) о о ... о ^га-1(г„) о ап =

= (ж1 о а-1) о ^(ж2 о а-1) о ^2(г3 о а-1) о ... о ^га-1(жга о а-1) о ап = = ж1 о а-1 о <^(ж2) о а-1 о ^2(г3) о а-1 о ... о ^га-1(жга) о а-1 о ап = = ж1 * <^(ж2) * (жз) * ... * ^га-1(ж„) * ап.

Элемент Ь = ап принадлежит X, причём ^га-1(ж) = ап-1 о ж о а-(п-1) = ап * ж * а-га+2. Переходя к операции *, заметим, что обратным к элементу Ь относительно этой операции является элемент Ь-1 = а-га+2, так как ап * а-га+2 = ап о а-1 о ага+2 = а, причём элемент а является нейтральным элементом (единицей) моноида (X, *). Поэтому ^га-1 (ж) = Ь* ж * Ь-1 и <^(Ь) = Ь и справедливо представление (3) утверждения теоремы 2.

Обратно, если исходить из представления (3) теоремы 2, то можно доказать существование обертывающего моноида (подробнее см. доказательство теоремы 3 в [8]) и, повторив приведённые выше рассуждения в обратном порядке, показать справедливость представления (2) теоремы 1.

3. Группа автотопий сильно зависимых п-арных полугрупп

На основании описания строения сильно зависимых п-арных полугрупп, полученного в теоремах 1 и 2, и общего описания групп автотопий бесповторной суперпозиции сильно зависимых функций из [12, 13] нетрудно получить описание строения их групп автотопий. Для случая п-арных квазигрупп оно получено в работе [14]. Пусть С = (X, *) —моноид, Ь € С* и 9 € АШ;(*). Рассмотрим операции

/*(ж1,...,жга) = ж1 *•••* жп,

/,*(жь ...,жга) = ж1 * 9(ж2) * 92(жз) * ... * 9га-1(ж„), /,*,ь(ж1,... ,ж„) = ж1 * 9(ж2) * 92(жз) * ... * 9га-1(ж„) * Ь.

Для действия подстановок на множестве X будем использовать запись, соответствующую правому действию: ав(ж) = жав = в(а(ж)). Заметим, что /*(ж) = /Т*(ж) = = /,*(жт 1), где Т = (г^, 9, 92,..., 9П-1, г^) —главная автотопия, и поэтому

А;р(/,*) = Т А;р(/*)Т-1. (4)

Действительно, если а = (а1, а2,..., ап, ага+1) € А;р(/*), то

а-+1/в,*(а1(ж1), 9а19-1(ж2),..., 9П-1 а„91-га(ж„)) = = а^ЫжО * 9(9а19-1(ж2)) * ... * 9п-1(9п-1а„91-п(ж„))) = = а-+1(а1 (ж1) * а1(9(ж2)) * ... * а„(9га-1 (ж„))) = ж1 * 9(ж2) * ... * 9га-1(ж„) = /,*(жь ... ,ж„).

Группа автотопий операции /*(ж1,... , жп) описывается следующим образом: Лемма 1 [12]. Пусть С = (П, *) —моноид и /*(ж1,..., жп) = ж1 * ■ ■ ■ * жп. Тогда а) если операция * неабелева, то группа А;р (/) имеет порядок |С*|га+1 |АШ (С)| и состоит из преобразований вида (а1,..., ап, ага+1), где

аДж) = а-1 * £(ж) * а^+1, г = 1, п, а„+1(ж) = а-1 * £ (ж) * ага+ь

при некоторых а1,... , ага+1 € С*, £ € АШ (С);

б) если операция * абелева, то группа Atp (/) имеет порядок |G*|n |Aut (G)| и состоит из преобразований вида (ai,..., an, an+i), где

a¿(x) = £(x) * a¿, i = 1,..., n, an+i(x) = £(x) * ai * ■ ■ ■ * a„

при некоторых a1,... , an G G*, £ G Aut (G).

Применяя лемму 1 и равенство (4), получаем описание групп автотопий функции Д*.

Теорема 3. Пусть G = (П, *) — моноид и в G Aut(*).

1. Если операция * неабелева, то группа автотопий операции

fe,*(xi,... ,xn) = xi * в(х2) * в2(хз) * ... * вга-1(х„)

состоит из таких наборов подстановок (ai, a2,... , an, an+i), что при некоторых обратимых относительно * элементах a1, a2,..., an+i G X и £ G Aut(*) выполнены равенства

ai(xi)= й-1 * £(xi) * a2,

«2(x2)= e-i(a-i * £(e(x2)) * аз),

«3(x3)= e-2(a-i * £(e2(x3) * a4),

a„-i(xra-i) = e2-n(a--i * £(en-2(x„-i)) * a„), «n(x„) = ei-n(a-i * £(en-i(xra)) * a„+i), an+i(y)= a-i * £(y) * an+i.

При этом всякий набор подстановок (ai,... ,an,an+i) при произвольных обратимых ai,... , an+i G G* и £ G Aut (G), удовлетворяющий этим равенствам, является автото-пией операции /#,*.

2. Если операция * абелева, то группа автотопий операции /e,*(xi,... ,xn) состоит из таких наборов подстановок (ai, a2,... , an, an+i), что при некоторых обратимых относительно * элементах ai, a2,...,an G X и £ G Aut(*) выполнены равенства

ai(xi) = й-1 * £(xi) * ai,

a2(x2)= в-1(£(e(x2)) * a2),

a3(x3)= в-2(£(в2(x3) * аз),

a„-i(xra-i) = в2-п(£(en-2(x„-i)) * a„-i), an(xn)= в1-п(£(en-1(x„)) * a„),

a«+i(y) = £ (y) * ai... * a„.

При этом всякий набор подстановок (a1,... , an) при произвольных обратимых a1,...,an G G* и £ G Aut(G), удовлетворяющий этим равенствам, является автото-пией операции /#,*.

Группы автотопий операции /#,*,& описываются аналогично. В силу очевидного равенства /#,*,ь = //*, где S = (id,... , id, Rb), для групп автотопий выполняется соотношение

Atp(/e,*,b) = S-1Atp(/,,*)S.

Поэтому описание группы автотопий функции /#,*,& отличается тем, что в теореме 3 надо заменить значение подстановки an+1(y) на R-1an+1Rb (y) = an+1(y * b-1) * b.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сохацкий Ф. Н. Об ассоциативности многоместных операций // Дискретная математика. 1992. Т. 4. №1. С. 66-84.

2. Сосинский Л. М. О представлении функций бесповторными суперпозициями в трехзначной логике // Проблемы кибернетики. М.: Наука, 1964. Вып. 12. С. 57-68.

3. Белоусов В. Д. n-Арные квазигруппы. Кишинев: Штиинца, 1972. 277с.

4. Черемушкин А. В. Некоторые асимптотические оценки для класса сильно зависимых функций // Вестник Томского госуниверситета. Приложение. 2006. №17. C. 87-94.

5. Черемушкин А. В. Аналоги теорем Глускина — Хоссу и Малышева для сильно зависимых n-арных операций // Дискретная математика, 2018. Т. 30. Вып. 2. С. 15-24.

6. Bruck R. H. A survey of binary systems. Berlin; Heidelberg; New York: Springer, 1958. 185 p.

7. Post E. L. Polyadic groups // Trans. Amer. Math. Soc. 1940. V.48. No. 2. P. 208-350.

8. Черемушкин А. В. Теорема Поста для сильно зависимых n-арных полугрупп // Дискретная математика. 2019. Т. 31. №2. С. 153-158.

9. Глускин Л. М. Позиционные оперативы // Математич. сборник. 1965. Т. 68(110). №3. С.444-472.

10. Hosszu M. On the explicit form of n-group operations // Publ. Math. 1963. V. 10. No. 1-4. P. 88-92.

11. Гальмак А. М., Воробьев Г. Н. О теореме Поста — Глускина — Хоссу // Проблемы физики, математики и техники. 2013. Вып. 1(14). С. 55-59.

12. Черемушкин А. В. Бесповторная декомпозиция сильно зависимых функций // Дискретная математика. 2004. Т. 16. Вып.3. С. 3-42.

13. Черемушкин А. В. Декомпозиция и классификация дискретных функций. М.: Курс, 2018. 288с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

14. Khodabandeh H. and Shahryari M. On the automorphisms and representations of polyadic groups // Commun. Algebra. 2012. V.40. No. 6. P. 2199-2212.

УДК 519.728 DOI 10.17223/2226308X/12/11

МИНИМАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОЕ МНОЖЕСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНЫХ КЛАССОВ НЕДООПРЕДЕЛЁННЫХ СЛОВ

Л. А. Шоломов

Частотный класс недоопределённых слов — это множество всех слов в некотором недоопределённом алфавите, имеющих заданную длину и заданные частоты вхождения символов. Рассматривается задача доопределения произвольной системы частотных классов. Предложен метод выделения из этой системы минимальной по мощности подсистемы, такой, что достаточно получить доопределения для классов этой подсистемы, а по ним доопределения других классов системы находятся просто.

Ключевые слова: недоопределённые данные, доопределение, частотный класс, представительное множество.

Пусть M = {0,1, • • • , m — 1} и выделена система T Ç 2м некоторых непустых подмножеств T Ç M. С множеством M связан алфавит A0 = ^ : i G M} основных символов, с множеством T — алфавит A = {ау : T G T} недоопределённых символов. Доопределением символа ат считается всякий основной символ а^ i G T, доопределением слова v в алфавите A — любое слово, полученное из v заменой каждого символа каким-либо его доопределением, а доопределением множества V слов в алфавите A —

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.