สมบัติการเปลี่ยนหมู่

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

ในคณิตศาสตร์ สมบัติการเปลี่ยนหมู่ (อังกฤษ: associativity) เป็นสมบัติหนึ่งที่สามารถมีได้ของการดำเนินการทวิภาค ซึ่งนิพจน์ที่มีตัวดำเนินการเดียวกันตั้งแต่สองตัวขึ้นไป การดำเนินการสามารถกระทำได้โดยไม่สำคัญว่าลำดับของตัวถูกดำเนินการจะเป็นอย่างไร นั่นหมายความว่า การใส่วงเล็บเพื่อบังคับลำดับการคำนวณในนิพจน์ จะไม่ส่งผลต่อผลลัพธ์สุดท้าย ตัวอย่างเช่น

(5 + 2) + 1 = 5 + (2 + 1) = 8

นิพจน์ข้างซ้ายจะบวก 5 กับ 2 ก่อนแล้วค่อยบวก 1 ส่วนนิพจน์ข้างขวาจะบวก 2 กับ 1 ก่อนแล้วค่อยบวก 5 ไม่ว่าลำดับของวงเล็บจะเป็นอย่างไร ผลบวกของนิพจน์ก็เท่ากับ 8 ไม่เปลี่ยนแปลง และเนื่องจากสมบัตินี้เป็นจริงในการบวกของจำนวนจริงใดๆ เรากล่าวว่า การบวกของจำนวนจริงเป็นการดำเนินการที่ เปลี่ยนหมู่ได้ (associative)

ไม่ควรสับสนระหว่างสมบัติการเปลี่ยนหมู่กับสมบัติการสลับที่ สมบัติการสลับที่เป็นการเปลี่ยนลำดับของตัวถูกดำเนินการในนิพจน์ ในขณะที่สมบัติการเปลี่ยนหมู่ไม่ได้สลับตัวถูกดำเนินการเหล่านั้น เพียงแค่เปลี่ยนลำดับการคำนวณ เช่นตัวอย่างต่อไปนี้

(5 + 2) + 1 = (2 + 5) + 1

ไม่ใช่ตัวอย่างของสมบัติการเปลี่ยนหมู่ เพราะว่า 2 กับ 5 สลับที่กัน

การดำเนินการเปลี่ยนหมู่ได้มีมากมายในคณิตศาสตร์ และด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าโครงสร้างเชิงพีชคณิตส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีการดำเนินการทวิภาคที่เปลี่ยนหมู่ได้เป็นส่วนประกอบ อย่างไรก็ตามการดำเนินการหลายอย่างที่สำคัญก็ เปลี่ยนหมู่ไม่ได้ หรือ ไม่เปลี่ยนหมู่ (non-associative) เช่นผลคูณไขว้ของเวกเตอร์

นิยาม[แก้]

กำหนดการดำเนินการทวิภาค บนเซต S เราจะกล่าวว่าการดำเนินการนั้น เปลี่ยนหมู่ได้ ถ้าหาก

\forall x,y,z \in S: (x * y) * z = x * (y * z) \,

และเนื่องจากลำดับของการดำเนินการไม่มีความสำคัญ เราจึงอาจไม่จำเป็นต้องใส่วงเล็บ ดังนี้

x * y * z \,

อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญที่จะต้องจดจำคือ การเปลี่ยนลำดับของการดำเนินการจะต้องไม่ทำให้ตัวถูกดำเนินการเปลี่ยนตำแหน่งไปภายในนิพจน์

กำหนดฟังก์ชันทวิภาค f : A×AB เราจะกล่าวว่าฟังก์ชันนั้น เปลี่ยนหมู่ได้ ถ้าหาก

\forall x,y,z \in A: f(f(x,y),z) = f(x,f(y,z)) \,

ตัวอย่าง[แก้]

ตัวอย่างบางส่วนของการดำเนินการเปลี่ยนหมู่มีดังนี้


\left.
\begin{matrix}
(x+y)+z=x+(y+z)=x+y+z\quad
\\
(x\,y)z=x(y\,z)=x\,y\,z\qquad\qquad\qquad\quad\ \ \,
\end{matrix}
\right\}
\forall x,y,z\in\mathbb{R}

\left.
\begin{matrix}
\operatorname{gcd}(\operatorname{gcd}(x,y),z)=
\operatorname{gcd}(x,\operatorname{gcd}(y,z))=
\operatorname{gcd}(x,y,z)\ \quad
\\
\operatorname{lcm}(\operatorname{lcm}(x,y),z)=
\operatorname{lcm}(x,\operatorname{lcm}(y,z))=
\operatorname{lcm}(x,y,z)\quad
\end{matrix}
\right\}
\forall x,y,z\in\mathbb{Z}

\left.
\begin{matrix}
(A\cap B)\cap C=A\cap(B\cap C)=A\cap B\cap C\quad
\\
(A\cup B)\cup C=A\cup(B\cup C)=A\cup B\cup C\quad
\end{matrix}
\right\}
\mbox{for all sets }A,B,C
  • ถ้า M เป็นเซตเซตหนึ่ง และ S แทนเซตของฟังก์ชันทั้งหมดจาก M ไปยัง M แล้วการดำเนินการของฟังก์ชันประกอบบน S เปลี่ยนหมู่ได้
(f\circ g)\circ h=f\circ(g\circ h)=f\circ g\circ h\qquad\forall f,g,h\in S
  • ในกรณีทั่วไป กำหนดให้เซต M, N, P, Q และการจับคู่ h : MN, g: NP, f: PQ, แล้ว
(f\circ g)\circ h=f\circ(g\circ h)=f\circ g\circ h

ดังนั้น การจับคู่จึงเป็นการดำเนินการเปลี่ยนหมู่ได้เสมอ

การดำเนินการไม่เปลี่ยนหมู่[แก้]

กำหนดการดำเนินการทวิภาค บนเซต S เราจะกล่าวว่าการดำเนินการนั้น เปลี่ยนหมู่ไม่ได้ ถ้าหาก

\exists x,y,z \in S: (x * y) * z \ne x * (y * z) \,

การดำเนินการเช่นนั้น ลำดับของการคำนวณจึงมีความสำคัญ เช่นการลบ การหาร และการยกกำลัง

(5-3)-2\ne 5-(3-2)
(4\div2)\div2\ne 4\div(2\div2)
2^{(1^2)}\ne (2^1)^2

เครื่องหมายวงเล็บจึงถูกใช้เพื่อแสดงลำดับของการดำเนินการ เมื่อมีการดำเนินการเหล่านี้มากกว่าหนึ่งครั้งในนิพจน์ อย่างไรก็ตาม นักคณิตศาสตร์ได้ยอมรับลำดับความสำคัญของการดำเนินการที่ไม่เปลี่ยนหมู่หลายชนิด เป็นหลักการในการเขียนเพื่อหลีกเลี่ยงการใช้วงเล็บ แบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่การดำเนินการที่จัดกลุ่มทางซ้าย


\left.
\begin{matrix}
x*y*z=(x*y)*z\qquad\qquad\quad\,
\\
w*x*y*z=((w*x)*y)*z\quad
\\
\mbox{etc.}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\ \ \,
\end{matrix}
\right\}
\forall w,x,y,z\in S

และการดำเนินการที่จัดกลุ่มทางขวา


\left.
\begin{matrix}
x*y*z=x*(y*z)\qquad\qquad\quad\,
\\
w*x*y*z=w*(x*(y*z))\quad
\\
\mbox{etc.}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\ \ \,
\end{matrix}
\right\}
\forall w,x,y,z\in S

ดูเพิ่ม[แก้]