Álgebra Moderna I: Operación binaria asociativa y conmutativa

Introducción

En la entrada anterior definimos el concepto de operación binaria, en esta entrada veremos dos tipos más específicos de operaciones binarias: las operaciones binarias asociativas y las operaciones conmutativas. Éstas nos interesan ya que hacen que las operaciones sean más sencillas de manejar.

Nuevas definiciones

Definición. Una operación binaria $*$ en un conjunto $\mathcal{S}$ es asociativa si, para todos $a, b, c \in \mathcal{S}$

$(a*b)*c = a*(b*c)$.

Definición. Una operación binaria $*$ en un conjunto $\mathcal{S}$ es conmutativa si, para todos $a,b \in \mathcal{S}$

$a*b=b*a$.

Ejemplos de operaciones binarias asociativas y conmutativas

Repasemos los ejemplos vistos en la entrada anterior. Ahora los analizaremos con mayor profundidad.

  • Consideremos $\mathcal{S} := \mathbb{R}$ con la operación $a*b=ab-2$. Entonces $*$ no es asociativa.

Demostración. Sean $a,b,c \in \mathbb{R}$.

Si sustituimos los valores de acuerdo a la forma en que está definida $*$, por un lado obtenemos

$\begin{align}(a * b)*c = (ab-2)c -2 = (ab)c -2c-2\end{align}$

y por otro,

$\begin{align}a*(b*c) = a*(bc -2) = a(bc-2)-2 = a(bc)-2a-2. \end{align}$

Observamos que $(1)$ y $(2)$ en general son distintos. Por lo tanto $*$ no es asociativa.

Ejemplo. Si hacemos la operación con $1, 2, 3$ obtenemos:

$(1*2)*3 = 0 * 3 = -2$

$1*(2*3)= 1 *4 = +2$

Así, claramente no es asociativa.

$\square$

Sin embargo, sí es conmutativa.

Demostración. Por la conmutatividad de la multiplicación de reales,

$a*b = ab-2 = ba-2 = b*a \qquad \forall a,b \in \mathbb{R}$.

$\square$

  • Consideremos ahora el conjunto $\mathcal{S} := \mathbb{R}^+$ (los reales positivos), con la operación $a*b=\frac{a}{b}$. Entonces $*$ no es asociativa.

Demostración. Sean $a,b,c \in \mathbb{R}^+$.

Si sustituimos de acuerdo a la definición de nuestra operación binaria, obtenemos

$(a*b)*c = \frac{a}{b}*c =\frac{\frac{a}{b}}{c} = \frac{a}{bc}$

por otro lado,

$a*(b*c)= a* \frac{b}{c} = \frac{a}{\frac{b}{c}} = \frac{ac}{b}$.

En general, $(a*b)*c \neq a*(b*c)$, por lo que esta operación binaria no es asociativa.

$\square$

Ejemplo. Tomemos $3,4$ y $5$:

$(3*4)*5 = \frac{3}{4} * 5 = \frac{\frac{3}{4}}{5} = \frac{3}{20}$.

$3*(4*5) = 3* \frac{4}{5} = \frac{3}{\frac{4}{5}} = \frac{15}{4}$.

Claramente, $$\frac{3}{20} \neq \frac{15}{4}.$$

$\square$

Esta operación tampoco es conmutativa.

Demostración. Sean $a,b \in \mathbb{R}^+$.

Sustituyendo nuestra definición, en general tenemos que,

$a*b = \frac{a}{b} \neq \frac{b}{a} = b*a$.

Por lo tanto, nuestra operación binaria no es conmutativa.

$\square$

Ejemplo. Un ejemplo sencillo y claro,

$1*2 = \frac{1}{2} \neq 2 = 2*1$.

$\square$

  • En $\mathcal{S} := \mathbb{Z}^+$, $a*b = \text{máx} \{a,b\}$ es asociativa y conmutativa.
  • En $\mathcal{S} := \mathbb{Z}^+$, $a*b = a$ es asociativa y no conmutativa.
  • En $\mathcal{S} := \mathcal{M}_{2\times 2}(\mathbb{Z})$, $A*B = A + B$ es asociativa y conmutativa.
  • En $\mathcal{S}:= \{f \; | \; f: \mathbb{R} \to \mathbb{R} \}$, $f*g := f\circ g$ es asociativa pero no conmutativa.
  • En $\mathcal{S}:= S_3$, $f*g = f\circ g$. Es asociativa pero no conmutativa.

Ejemplo con tablas

En esta sección analizaremos algunas operaciones binarias definidas con tablas. El hecho de que una función sea conmutativa se ve reflejado en la tabla. Cuando la operación es conmutativa, si nos fijamos en la línea diagonal que divide a la tabla (la diagonal principal), podemos observar que la tabla es simétrica con respecto a la diagonal.

Demostrar la asociatividad a partir de la tabla es un poco más complicado. Se tendrían que escoger todas las distintas combinaciones de tres elementos del conjunto, lo que lo haría muy largo, incluso para conjuntos pequeños. Por eso conviene definir la operación de otra manera. En los siguientes ejemplos encontrarás la función definida de ambas maneras, con la tabla y con una regla de correspondencia.

  • En $\mathcal{S} = \{2,4,6\}$, la operación $a*b = \text{máx}\{a,b\}$ se vería como
$*$$2$$4$$6$
$2$$2$$4$$6$
$4$$4$$4$$6$
$6$$6$$6$$6$

La tabla es simétrica con respecto a la diagonal principal, por lo tanto esta operación sí es conmutativa. Queda como ejercicio demostrar que es asociativa.

  • En $\mathcal{S} = \{2,4,6\}$, la operación $a*b = a$ se vería como
$*$$2$$4$$6$
$2$$2$$2$$2$
$4$$4$$4$$4$
$6$$6$$6$$6$

De la misma manera, si nos fijamos en la diagonal principal, observamos que esta operación no es conmutativa. Pero, será tu trabajo demostrar que sí es asociativa.

  • En $\mathcal{S} = \{1, -1\}$, la operación $a*b = ab$ se vería como
$*$$1$$-1$
$1$$1$$-1$
$-1$$-1$$1$

A diferencia de los anteriores dos ejemplos, esta operación sí es conmutativa y también asociativa.

Tarea moral

  1. Demuestra o da contraejemplos de las propiedades (conmutatividad y asociatividad) que quedaron pendientes en los ejemplos.
  2. Con ayuda de las tablas, verifica las propiedades de conmutatividad y asociatividad que quedaron pendientes en los ejemplos correspondientes.
  3. Para el conjunto $\mathcal{S}:= \{\bigstar, \blacktriangledown, \blacklozenge, \clubsuit \}$, define
    • una operacion binaria conmutativa (pero no asociativa),
    • una operación asociativa (pero no conmutativa),
    • una operación asociativa y conmutativa,
    • una operación que no sea ni asociativa ni conmutativa.
  4. De los ejemplos que hiciste en la tarea moral anterior, determina si son conmutativas, asociativas o ambas.
  5. Del ejercicio 5 de la tarea moral anterior, determina si las operaciones binarias son conmutativas, asociativas, ambas o ninguna de las dos.

Más adelante…

Ahora sí, ya estás listo para que comencemos con los grupos. En la siguiente entrada comenzaremos a definirlos y a dar algunos ejemplos. Verás que las operaciones binarias tienen un papel importante a la hora de definir esta estructura algebraica.

Entradas relacionadas

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.