自由么半群

在抽象代數裡,於一集合A上的自由么半群是指一么半群,其元素都是由A內零個或多個元素以串接之二元運算形成的有限序列(或字元串)。通常標記為A*。其單位元為空字元串,標記為ε 或 λ。在A上的自由半群則指是A*內的子半群,其包含除了空字串外的所有元素。通常標記為A。

定義

更一般地,一抽象么半群(半群) S被稱做是 自由的,若其與某一集合上的自由么半群(半群)同構。

如其名稱所述,自由么半群(半群)為滿足定義了自由對象的泛性質的對象,在么半群(半群)的範疇里。它允許每一個么半群(半群)都會是某一自由么半群(半群)的同態映像。研究半群為自由半群的映像的學科稱做組合半群理論。

自由生成元和秩

集合 A的元素稱為 A*和 A是自由生成元。更一般地講,若 S是一抽象自由么半群(半群),則有一集合含有映射至與 A*( A)同態的單字母集合的元素,此集合稱為 S的“自由生成元集合”。

每一自由么半群(半群) S會有一個且只有一個自由生成元集合,其勢則稱做 S的“秩”。

兩個自由么半群(半群)同構若且唯若它們擁有相同的秩。而事實上,自由么半群(半群) S的每一生成元集合都會包含其自由生成元。這使得一個自由么半群(半群)會是有限生成的若且唯若它的秩是有限個的。

例子

自然數(包括零)在加法下的么半群( N,+)是一有單一產生元(即其秩為一)的自由么半群。它唯一的自由產生元為數字一。

設Σ是一 有限字母表,則Σ*包含於Σ之上的所有 文字,於形式語言理論的意思之下。因此,形式語言的抽象研究可以想成是有限產生自由么半群子集的研究。且么半群理論和自動機理論是有著很深的關聯性的。例如,於Σ以上的正則語言會是有限么半群子集的Σ*的同態像原。

例如,若 A={ a, b, c}, A*的元素會是下列的形式

{ε,a,ab,ba,caa,cccbabbc}

若 A是一集合,則在 A*上的 字長函式是由 A*至 N的唯一么半群同態,其將 A的每一個元素都映射至1。

自由可交換么半群

給定一集合 A,則在 A上的 自由可交換么半群是指由 A內元素形成之復集所組成的集合。這形成了以復集聯合為二元運算的可交換么半群。

例如,若 A= { a, b, c},於 A上的自由可交換么半群元素會是下列的形式

{ε,a,ab,ab,abc}

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