Monoid

Struktur aljabar antara magma dan grup. Monoid adalah semigrop dengan identitas.

Dalam aljabar abstrak, cabang matematika, monoid adalah himpunan kompleks dengan asosiatif operasi biner dan elemen identitas

Monoid adalah semigrup dengan identitas. Struktur aljabar terjadi di beberapa cabang matematika.

Misal, fungsi dari suatu himpunan membentuk monoid dengan komposisi fungsi. Secara lebih umum, dalam teori kategori, morfisme dari sebuah objek dengan membentuk sebuah monoid, dan, sebaliknya, sebuah monoid dapat dipandang sebagai kategori dengan satu objek.

Dalam ilmu komputer dan pemrograman komputer, himpunan string dari himpunan karakter adalah monoid bebas. Transisi monoid dan monoid sintaktik digunakan untuk mendeskripsikan mesin keadaan hingga. Jejak monoid dan sejarah monoid memberikan dasar untuk proses bate dan komputasi bersamaan.

Dalam ilmu komputer teoretis, studi tentang monoid sangat penting untuk teori automata (teori Krohn–Rhodes), dan teori bahasa formal (masalah ketinggian bintang) .

Lihat semigrup untuk sejarah subjek, dan beberapa sifat umum monoid lainnya.

Definisi

Misalnya S adalah himpunan dan • adalah beberapa operasi biner Templat:Math, maka S dengan • adalah monoid jika memenuhi dua aksioma berikut:

Asosiatif

untuk a , b dan c dalam S dengan persamaan Templat:Math.

Elemen identitas

elemen e dalam S untuk setiap elemen a dalam S dengan persamaan Templat:Math.

Dengan kata lain, monoid adalah semigrup dengan elemen identitas. Monoid disebut sebagai magma dengan asosiasi dan identitas. Untuk alasan identitas sebagai konstanta, yaitu operasi 0-ari (atau nullari). Oleh karena itu, monoid diartikan sebagai spesifikasi rangkap (S, • , e).

Bergantung pada konteksnya, simbol untuk operasi biner dapat dihilangkan, maka operasi tersebut dilambangkan dengan penjajaran; misalnya, aksioma monoid ditulis sebagai $(ab)c=a(bc)$ dan $ea=ae=a$. Notasi tersebut tidak menyiratkan bahwa bilangan yang dikalikan.

Monoid setiap elemen menggunakan invers adalah grup.

Struktur monoid

Submonoid

Submonoid dari sebuah monoid Templat:Math adalah himpunan bagian N dari M dibawah operasi monoid dan elemen identitas e dari M.Templat:Sfn Secara simbolis, N adalah submonoid dari M jika Templat:Math, Templat:Math dimana Templat:Math, dan Templat:Math. N dengan monoid dibawah operasi biner yang digunakan dari M.

Generator

Himpunan bagian S dari M sebagai generator dari M jika M adalah himpunan terkecil S yaitu penutupan dibawah operasi monoid, atau M adalah hasil dari penerapan operasi penutupan keuangan ke S. Jika generator dari M kardinalitas hingga, maka M sebagai dihasilkan secara hingga. Tidak setiap himpunan S akan menghasilkan monoid, karena struktur yang dihasilkan tidak memiliki elemen identitas.

Monoid komutatif

Monoid dimana operasi komutatif disebut monoid komutatif (atau abelian monoid). Monoid komutatif ditulis secara aditif. Setiap monoid komutatif dengan aljabar preorder Templat:Math ditentukan dari Templat:Math dan z adalah Templat:Math. unit-order dari monoid komutatif M adalah elemen u dari M maka untuk setiap elemen x dari M, v dalam himpunan yang dihasilkan oleh u adalah Templat:Math. Jika M adalah kerucut positif dari terurut sebagian untul grup abelian G, dalam u adalah unit order G.

Monoid sebagian komutatif

Monoid dimana operasinya bersifat komutatif untuk semua elemennya adalah jejak monoid; jejak monoid biasanya terjadi dalam teori komputasi bersamaan.

Contoh

• Dari 16 kemungkinan operasi Boolean biner dari empat yang memiliki identitas dua sisi komutatif dan asosiatif dan dengan demikian membuat himpunan {salah, benar} menjadi monoid komutatif. Dibawah definisi standar, AND dan XNOR menggunakan identitas sedangkan XOR dan OR memiliki identitas yang salah. Monoid dari AND dan OR untuk idempoten dari XOR dan XNOR.
• Himpunan bilangan asli $\mathbb{N}=\{0,1,2,\dots \}$ adalah monoid komutatif dibawah penjumlahan (elemen identitas 0) atau perkalian (elemen identitas 1). Submonoid dari Templat:Math dibawah penambahan disebut monoid numerik.
• Himpunan bilangan bulat positif $\mathbb{N}\setminus \{0\}$ adalah monoid komutatif dalam perkalian (elemen identitas 1).
• Diberikan himpunan Templat:Mvar, himpunan himpunan bagian dari Templat:Mvar adalah monoid komutatif dibawah (elemen identitasnya adalah Templat:Mvar sendiri).
• Diberikan himpunan Templat:Mvar, himpunan bagian dari Templat:Mvar adalah monoid komutatif dibawah gabungan (elemen identitas adalah himpunan kosong).
• Generalisasi contoh sebelumnya, setiap semikis batas adalah monoid komutatif idempoten.
  • Secara khusus, setiap kisi berbatas dapat diberkahi dengan struktur monoid bertemu dan gabungan. Elemen identitas adalah bagian atas dan bawah kisi. Karena kisi-kisi, Aljabar Heyting dan Aljabar Boolean diberkahi dengan struktur monoid ini.
• Setiap himpunan singleton Templat:Math penutupan dibawah operasi biner • bentuk monoid trivial (satu elemen) merupakan grup trivial.
• Setiap grup adalah monoid dan setiap grup abelian adalah monoid komutatif.
• Semua semigrup Templat:Mvar dapat diubah menjadi monoid dengan menggabungkan elemen Templat:Mvar bukan Templat:Mvar dan menentukan Templat:Math untuk semua Templat:Math. Konversi semigrup di monoid ini dilakukan oleh funktor bebas antara kategori semigrup dan kategori monoid.
  • Jadi, monoid idempoten (sebagai temukan-pertama) dapat dibentuk dengan menggabungkan elemen identitas Templat:Mvar ke semigrup nol kiri diatas himpunan Templat:Mvar. Monoid (disebut temukan-terakhir) bentuk dari grup nol kanan diatas Templat:Mvar.
    • Adjoin dari sebuah identitas Templat:Mvar ke semigrup kiri-nol dengan dua elemen Templat:Math. Kemudian monoid idempoten dihasilkan Templat:Math memodelkan urutan leksikografis dari suatu urutan yang diberi urutan elemennya, dengan e mewakili persamaan.
• Himpunan yang mendasari setiap gelanggang, dengan operasi penjumlahan atau perkalian. Menurut definisi, gelanggang memiliki identitas perkalian 1.
  • Bilangan bulat, bilangan rasional, bilangan riil, atau bilangan kompleks, dengan operasi penjumlahan atau perkalian.Templat:Sfn
  • Himpunan semua Templat:Mvar oleh Templat:Mvar matriks diatas gelanggang tertentu, dengan penambahan matriks atau perkalian matriks sebagai operasi.
• Himpunan semua string hingga beberapa alfabet tetap Templat:Math membentuk monoid dengan rangkaian string sebagai operasinya. String kosong berfungsi sebagai elemen identitas. Monoid ini dilambangkan Templat:Math dan disebut monoid bebas di atas Templat:Math.
• Diberikan monoid Templat:Math, monoid berlawanan Templat:Math memiliki himpunan operasi dan elemen identitas yang sama Templat:Math, dan operasi ditentukan oleh Templat:Math. Monoid komutatif adalah kebalikan dari monoid itu sendiri.
• Diberikan dua himpunan Templat:Mvar dan Templat:Mvar dengan struktur monoid (atau, secara umum, sejumlah terbatas monoid, Templat:Math, produk Kartesius mereka Templat:Math adalah monoid (masing-masing, Templat:Math). Operasi asosiatif dan elemen identitas ditentukan berpasangan.Templat:Sfn
• Monoid Templat:Math. Himpunan semua fungsi dari himpunan tertentu ke Templat:Math adalah monoid. Elemen identitas adalah fungsi konstanta yang memetakan nilai ke identitas Templat:Math; operasi asosiatif ditentukan sesetitik.
• Monoid Templat:Math dengan operasi Templat:Math dan elemen identitas Templat:Mvar, dan pertimbangkan himpunan kuasa Templat:Math terdiri dari semua himpunan bagian dari Templat:Math. Operasi biner untuk himpunan bagian tersebut dapat ditentukan dengan Templat:Math. Nilai berubah ke Templat:Math menjadi monoid dengan elemen identitas Templat:Math. Dengan cara yang sama, himpunan kuasa grup Templat:Math adalah monoid di bawah produk himpunan bagian grup.
• Misalkan Templat:Mvar menjadi satu himpunan. Himpunan semua fungsi Templat:Math membentuk monoid dibawah komposisi fungsi. Identitas hanyalah fungsi identitas. Ini disebut sebagai monoid transformasi penuh dari Templat:Mvar. Jika Templat:Mvar hingga dengan elemen Templat:Mvar, monoid fungsi pada Templat:Mvar hingga dengan elemen Templat:Math.
• Generalisasi contoh sebelumnya, misalkan Templat:Math menjadi kategori dan Templat:Math objek Templat:Math. Himpunan dari semua endomorfisme dari Templat:Math, dilambangkan Templat:Math, membentuk monoid dibawah komposisi morfisme. Untuk lebih lanjut tentang relasi antara teori kategori dan monoid, lihat dibawah.
• Himpunan homeomorfisme kelas dari permukaan kompak dengan jumlah terhubung. Elemen unitnya adalah kelas bola-2 biasa. Selanjutnya, jika Templat:Math menunjukkan kelas dari torus, dan b menunjukkan kelas bidang proyektif, maka setiap elemen c dari monoid memiliki ekspresi unik berupa Templat:Math dimana Templat:Mvar adalah bilangan bulat positif dan Templat:Math, atau Templat:Math. Maka Templat:Math.
• Maka $⟨f⟩$ menjadi monoid siklik urutan Templat:Mvar, yaitu $⟨f⟩=\{f^0,f^1,\dots ,f^{n-1}\}$. Kemudian $f^n=f^k$ untuk beberapa $0\le k<n$. Faktanya, setiap Templat:Mvar tersebut memberikan monoid yang berbeda dengan urutan Templat:Mvar, dan setiap monoid siklik isomorfik untuk salah satu dari ini.
  Selain itu, Templat:Mvar sebagai fungsi pada titik $\{0,1,2,\dots ,n-1\}$ diberikan oleh

$\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 2& \cdots & n-2& n-1\\ 1& 2& 3& \cdots & n-1& k\end{array}\right]$

atau, secara ekuivalen

$f(i):=\{\begin{array}{cc}i+1,& \text{jika }0\le i<n-1\\ k,& \text{jika }i=n-1.\end{array}$

Perkalian elemen dalam $⟨f⟩$ kemudian diberikan komposisi fungsi.

Jadi $k=0$ maka fungsi Templat:Mvar adalah permutasi dari $\{0,1,2,\dots ,n-1\},$ dan grup siklik unik dari urutan Templat:Mvar.

Aksi dan monoid operator

Templat:Main Misalkan M bentuk dari monoid, dengan operasi biner dilambangkan dengan • dan elemen identitas dan dilambangkan dengan e. Maka (kiri) M-ari (atau aksi kiri diatas M) adalah satu himpunan X dengan operasi Templat:Math yang kompatibel dengan struktur monoid sebagai berikut:

• untuk x dalam X: Templat:Math;
• untuk a, b pada M dan x pada X: Templat:Math.

Ini adalah analogi dalam teori monoid (kiri) grup aksi. Baik aksi M didefinisikan dengan cara biasa. Monoid dengan suatu aksi dikenal sebagai operasi monoid. Contoh yang termasuk sistem transisi dari semiautomata. Transformasi semigrup dapat dibuat menjadi operasi monoid dengan menggabungkan transformasi identitas.

Monoid homomorfisme

Monoid homomorfisme $f$ dari monoid Templat:Math ke monoid Templat:Math, didefinisikan dari $f(x)=2^x$. Fungsi tersebut adalah injeksi, bukan konjektur.

Bilangan riil adalah gelanggang yang menggunakan penembahab dan perkalian. Himpunan semua 2 × 2 matriks merupakan gelanggang, dibawah penambahan matriks dan perkalian matriks. Jika mendefinisikan fungsi antara gelanggang, sebagai berikut:

$f(r)=\left(\begin{array}{cc}r& 0\\ 0& r\end{array}\right)$

dimana Templat:Mvar adalah bilangan riil, maka Templat:Mvar adalah homomorfisme gelanggang, karena Templat:Mvar mempertahankan dua penambahan:

$f(r+s)=\left(\begin{array}{cc}r+s& 0\\ 0& r+s\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}r& 0\\ 0& r\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc}s& 0\\ 0& s\end{array}\right)=f(r)+f(s)$

dan perkalian:

$f(rs)=\left(\begin{array}{cc}rs& 0\\ 0& rs\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}r& 0\\ 0& r\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}s& 0\\ 0& s\end{array}\right)=f(r)f(s).$

Untuk contoh lain, bukan-nol untuk bilangan kompleks membentuk grup dibawah operasi perkalian, seperti halnya bilangan riil bukan-nol. Nol dihilangkan dari kedua grup karena tidak memiliki invers perkalian, yang diperlukan untuk elemen grup. Tentukan fungsi $f$ dari bilangan kompleks bukan nol ke bilangan riil bukan nol dengan

$f(z)=|z|.$

Artinya, $f$ adalah nilai mutlak (atau modulus) dari bilangan kompleks $z$. Maka $f$ adalah homomorfisme grup, karena perkalian:

$f(z_1{z}_2)=|z_1{z}_2|=|z_1||z_2|=f(z_1)f(z_2).$

Perhatikan bahwa Templat:Math tidak dapat diperpanjang menjadi homomorfisme gelanggang (dari bilangan kompleks ke bilangan riil), karena tidak termasuk penambahan:

$|z_1+z_2|\ne |z_1|+|z_2|.$

Sebagai contoh lain, diagram menunjukkan homomorfisme monoid $f$ dari monoid $(\mathbb{N},+,0)$ ke monoid $(\mathbb{N},\times ,1)$. Karena nama berbeda dari operasi terkait, sifat pelestarian struktur yang dipenuhi oleh $f$ dihasilkan sebagai $f(x+y)=f(x)\times f(y)$ dan $f(0)=1$.

Komposisi aljabar $A$ diatas bidang $F$ menggunakan bentuk kuadrat, yang disebut norma, $N:A\to F$, yang merupakan homomorfisme grup dari grup perkalian dari $A$ ke grup perkalian dari $F$.

Persamaan presentasi

Monoid dapat diberikan presentasi, dengan cara yang sama seperti grup dapat ditentukan melalui presentasi grup. Seseorang melakukan ini dengan menentukan satu set generator Σ, dan satu set relasi pada monoid bebas Σ^∗. Seseorang melakukannya dengan memperluas (finite) relasi biner pada Σ^* ke kongruensi monoid, dan kemudian membangun monoid hasil bagi, seperti di atas.

Diberikan relasi biner Templat:Math, satu mendefinisikan penutupan simetrisnya sebagai Templat:Math. Ini dapat diperluas ke hubungan simetris Templat:Math dengan mendefinisikan Templat:Math jika dan hanya jika Templat:Math dan Templat:Math untuk beberapa pita Templat:Math dengan Templat:Math. Akhirnya, seseorang mengambil penutupan refleksif dan transitif dari E , yang kemudian merupakan kongruensi monoid.

Dalam situasi tipikal, relasi R hanya diberikan sebagai sekumpulan persamaan, sehingga $R=\{u_1=v_1,\cdots ,u_n=v_n\}$. Thus, for example,

$⟨p,q|pq=1⟩$

adalah presentasi persamaan untuk monoid bisiklik, dan

$⟨a,b|aba=baa,bba=bab⟩$

adalah monoid plaktik derajat 2 (memiliki urutan tak terhingga). Elemen monoid plastik ini dapat ditulis sebagai $a^i{b}^j(ba{)}^k$ untuk integer i , j , k , karena hubungan menunjukkan bahwa ba bolak-balik dengan a dan b .

Kaitannya dengan teori kategori

Templat:Group-like structures Monoid dapat dipandang sebagai kelas khusus kategori. Memang, aksioma yang diperlukan dari operasi monoid persis seperti yang diperlukan dari komposisi morfisme ketika dibatasi pada himpunan semua morfisme yang sumber dan targetnya adalah objek tertentu. adalah,

Monoid, pada dasarnya, sama dengan kategori dengan satu objek.

Lebih tepatnya, diberi monoid Templat:Math, seseorang dapat membuat kategori kecil dengan hanya satu objek dan yang morfismenya adalah elemen dari M. Komposisi morfisme diberikan oleh operasi monoid •.

Demikian juga, homomorfisme monoid hanyalah funktor antara kategori objek tunggal. Jadi konstruksi ini memberikan kesetaraan antara kategori monoid (kecil) Mon dan subkategori lengkap kategori kategori (kecil) Cat. Demikian pula, kategori grup setara dengan subkategori lengkap lainnya Cat.

Dalam pengertian ini, teori kategori dapat dianggap sebagai perluasan dari konsep monoid. Banyak definisi dan teorema tentang monoid dapat digeneralisasikan ke kategori kecil dengan lebih dari satu objek. Misalnya, hasil bagi dari kategori dengan satu objek hanyalah hasil bagi monoid.

Monoid, seperti struktur aljabar lainnya, juga membentuk kategorinya sendiri, Mon, yang objeknya monoid dan morfisme homomorfisme monoid.

Ada pula pengertian objek monoid yang merupakan definisi abstrak dari apa yang dimaksud dengan monoid dalam suatu kategori. Objek monoid dalam 'Set' hanyalah sebuah monoid.

Monoid dalam ilmu komputer

Dalam ilmu komputer, banyak tipe data abstrak dapat diberkahi dengan struktur monoid. Dalam pola yang sama, Sebuah urutan elemen monoid adalah "dilipat" atau "terakumulasi" untuk menghasilkan nilai akhir. Misalnya, banyak algoritme iteratif perlu memperbarui beberapa jenis "menjalankan total" pada setiap iterasi; pola ini dapat diekspresikan secara elegan dengan operasi monoid. Alternatifnya, asosiasi operasi monoid memastikan bahwa operasi dapat paralel dengan menggunakan jumlah awalan atau algoritma serupa, untuk memanfaatkan banyak inti atau prosesor secara efisien.

Diberikan urutan nilai tipe M dengan elemen identitas $\epsilon$ dan operasi asosiatif $\bullet$, operasi lipat didefinisikan sebagai berikut:

$\mathrm{k}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}:M^{*}\to M=l\mapsto \{\begin{array}{cc}\epsilon & \text{jika }l=\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{l}\\ m\bullet \mathrm{k}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{l}^{\prime }& \text{jika }l=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}m{l}^{\prime }\end{array}$

Selain itu, struktur data apa pun dapat 'dilipat' dengan cara yang sama, mengingat serialisasi elemennya. Misalnya, hasil dari "melipat" sebuah pohon biner mungkin berbeda tergantung pada pemesanan di muka vs. setelah pesanan traversal pohon.

Monoid lengkap

Sebuah monoid lengkap adalah monoid komutatif yang dilengkapi dengan operasi jumlah infiniter ${\mathrm{\Sigma }}_I$ untuk himpunan indeks Templat:Mvar apa pun yang:

$\sum _{i\in \mathrm{\varnothing }}{m}_i=0;\sum _{i\in \{j\}}{m}_i=m_j;\sum _{i\in \{j,k\}}{m}_i=m_j+m_k\text{ for }j\ne k$

dan

$\sum _{j\in J}\sum _{i\in I_j}{m}_i=\sum _{i\in I}(m_i)\text{ if }\bigcup _{j\in J}{I}_j=I\text{ and }{I}_j\cap I_{j^{\prime }}=\mathrm{\varnothing }\text{ for }j\ne j^{\prime }$

monoid kontinu adalah monoid komutatif terurut di mana setiap himpunan terarah memiliki batas atas terkecil yang kompatibel dengan operasi monoid:

$a+\sup S=\sup (a+S).$

Kedua konsep ini terkait erat: monoid kontinu adalah monoid lengkap di mana jumlah infiniter dapat didefinisikan sebagai

$\sum _I{a}_i=\sup \sum _E{a}_i$

di mana supremum di sebelah kanan berjalan di atas semua himpunan bagian terbatas Templat:Mvar dari Templat:Mvar dan setiap jumlah di sebelah kanan adalah jumlah yang terbatas di monoid.

Lihat pula

• Relasi Green
• Monad (pemrograman fungsional)
• Semigelanggang dan Aljabar Kleene
• Masalah ketinggian bintang
• Kotak Weda

Referensi

• Templat:Citation
• Templat:Citation
• Templat:Citation
• Templat:Citation
• Templat:Citation

Pranala luar

• Templat:Springer
• Templat:MathWorld
• Templat:PlanetMath