Qué (quién) es Непрерывная группа - definición

математическое понятие, как и понятие обыкновенной группы (См. Группа), возникающее при рассмотрении преобразований. Пусть М - множество элементов х какого-либо рода, например чисел, точек пространства, функций и т.п. Говорят, что имеется преобразование f множества М, если каждому элементу x из М поставлен в соответствие определённый элемент

y = f (x), (1)

также принадлежащий М; при этом предполагается, что для каждого у найдётся такой элемент х, и притом единственный, который удовлетворяет уравнению (1). Т. о., уравнение (1) разрешимо относительно х:

x = f^--1(y),

и f^--1 также есть преобразование множества М. Преобразование f^-1 называется обратным к преобразованию f. Преобразование е, переводящее каждый элемент х в себя, е (х) = х, называется тождественным. Если имеется два преобразования f и g, то последовательное их применение даёт новое преобразование k:

k (x) = f [g (x)].

Преобразование k называется произведением преобразований f и g:

k = fg.

Умножение некоторого преобразования f на тождественное е не меняет его:

fe = ef = f. (2)

Произведение преобразования f на его обратное f^--1 даёт тождественное:

ff^-1 = f^-1f = e. (3)

Для любых трёх преобразований имеет место ассоциативный закон:

(fg) h = f (gh). (4)

Совокупность всех преобразований множества М является группой. Можно, однако, рассматривать совокупность не всех преобразований, а любую такую совокупность преобразований, что наряду с каждым преобразованием в неё входит обратное к нему, а наряду с каждыми двумя - их произведение. Тогда мы также имеем группу преобразований (подгруппу группы всех преобразований множества М). Если множество М является непрерывной средой (топологическим пространством (См. Топологическое пространство)), точнее говоря, если известно, что значит

где x₁, x₂,..., x_n,... - некоторая последовательность элементов из М, а x также принадлежит М (как это имеет место, например, в множестве чисел или точек), то можно выделить непрерывные преобразования. Преобразование f называется непрерывным, если из (5) следует

Множество всех непрерывных преобразований составляет группу непрерывных преобразований. Во многих случаях (но не всегда) группа непрерывных преобразований сама естественным образом оказывается непрерывной средой, т. е. в ней определяется понятие предельного перехода: можно говорить о том, что некоторая последовательность преобразований сходится к преобразованию. При этом оказывается, что из

следует

Такая группа называется Н. г. преобразований. Пусть М есть множество точек плоскости. Преобразование f называется движением плоскости, если для каждой пары точек х и у из М расстояние между х и у равно расстоянию между f (x) и f (y). Преобразование плоскости называется проективным, если точки, лежащие на одной прямой, переходят в точки, также лежащие на одной прямой. Частным случаем проективного преобразования является аффинное, при котором параллельные прямые переходят в параллельные. Здесь мы имеем три простейших геометрических примера Н. г. преобразований: группу движений, группу проективных преобразований и группу аффинных преобразований. Если рассматривать те свойства геометрических фигур на плоскости, которые не меняются при движениях плоскости, то мы получим обычную элементарную геометрию. Аналогично возникают геометрии проективная и аффинная, Ф. Клейном была выдвинута общая точка зрения (см. Эрлангенская программа), согласно которой геометрия есть наука, изучающая те свойства фигур, которые не меняются при заданной группе непрерывных преобразований. Отсюда - роль теории Н. г. в геометрии. Примем за множество М всевозможные упорядоченные системы по n чисел x₁, x₂,..., x_n, которые будем трактовать как компоненты вектора х. Рассмотрим т. н. линейное преобразование f, переводящее вектор х в вектор у с компонентами y₁, y₂,..., y_n, причём преобразование задаётся формулой

Множество всех линейных преобразований составляет Н. г. преобразований. Можно рассматривать не все линейные преобразования, а, например, такие, которые не меняют длины векторов, т. е. для которых выполнено условие

x₁² + x₂² +... + x_n² = y₁² + y₂² +... + y_n².

Такие преобразования составляют группу линейных ортогональных преобразований. Группы линейных преобразований играют весьма важную роль, в частности находят своё приложение в квантовой механике.

Современное развитие теории групп показало, что при изучении группы целесообразно бывает отвлечься от того факта, что элементы её являются преобразованиями, а следует трактовать группу просто как множество элементов, в котором установлена операция умножения, т. е. каждой паре элементов группы поставлен в соответствие элемент, называемый произведением исходных: k = fg, причём в качестве аксиом выдвигаются условия (2), (3), (4). Элемент e, раньше бывший тождественным преобразованием, теперь называется единицей группы. Вместо обратного преобразования появляется обратный элемент. Существование единицы и обратного элемента теперь являются аксиомами. Если для любых двух элементов f и g верно fg = gf, то группа называется коммутативной. Для того чтобы получить Н. г., следует предположить, что элементы её составляют топологическое пространство и что операция умножения непрерывна, т. е. выполнено условие (6), которое теперь выдвигается как аксиома. Так возникло в математике новое, абстрактное понятие непрерывной, или, что то же самое, топологической группы. Логически оно слагается из операции перемножения и операции предельного перехода. Так как обе эти операции весьма часто встречаются в математике, то понятие Н. г. принадлежит к числу важных и находит многочисленные приложения. Важнейшим типом Н. г. являются группы Ли (С. Ли - основоположник теории Н. г.). Если в окрестности единицы группы можно ввести координаты, т. е. каждый элемент f задать числами f₁, f₂,..., f_r - его координатами, то закон умножения k = fg можно записать для элементов, близких к единице, в координатной форме:

k_i = φ_i (f₁, f₂,..., f_r, g₁, g₂,..., g_r), (7)

i = 1, 2,..., r,

где φ_i - непрерывная функция всех переменных. Если ещё предположить, что функции φ, трижды непрерывно дифференцируемы, то мы придём к понятию группы Ли. Если считать, что координаты единицы все равны нулю, т. е. если принять единицу за начало координат, то, разлагая в ряд Тейлора правую часть соотношения (7), получим

Числа

называются структурными константами группы Ли, и к изучению их полностью сводится изучение группы Ли.

Лит.: Понтрягин Л. С., Непрерывные группы, 3 изд., М., 1973 (имеется библ.).

Л. С. Понтрягин.

Функция, получающая бесконечно малые приращения при бесконечно малых приращениях аргумента. Однозначная функция f (x) называется непрерывной при значении аргумента x₀, если для всех значений аргумента х, отличающихся достаточно мало от x₀, значения функции f (x) отличаются сколь угодно мало от её значения f (x₀). Точнее, функция f (х) называется непрерывной при значении аргумента x₀ (или, как говорят, в точке x₀), если каково бы ни было ε > 0, можно указать такое δ > 0, что при |х - х₀| < δ будет выполняться неравенство |f (x) - f (x₀)| < ε. Это определение равносильно следующему: функция f (x) непрерывна в точке x₀, если при х, стремящемся к x₀, значение функции f (x) стремится к пределу f (x₀). Если все условия, указанные в определении Н. ф., выполняются только при х ≥ х₀ или только при х ≤ х₀, то функция называется, соответственно, непрерывной справа или слева в точке x₀. Функция f (x) называется непрерывной н а отрезке [а, b], если она непрерывна в каждой точке х при а < х < b и, кроме того, в точке а непрерывна справа, а в точке b - слева.

Понятию Н. ф. противопоставляется понятие разрывной функции (См. Разрывные функции). Одна и та же функция может быть непрерывной для одних и разрывной для других значений аргумента. Так, дробная часть числа х [её принято обозначать через (х)], например

является функцией разрывной при любом целом значении и непрерывной при всех других значениях (рис. 1), причём в целочисленных точках она непрерывна справа.

Простейшими функциями переменного х, непрерывными при всяком значении x, являются многочлены, синус (у = sin x), косинус (у = cos x), показательная функция (у = a^x, где а - положительное число). Сумма, разность и произведение Н. ф. снова дают Н. ф. Частное двух Н. ф. также есть Н. ф., за исключением тех значений х, для которых знаменатель обращается в нуль (так как в таких точках рассматриваемое частное не определено). Например,

есть Н. ф. для всех значений х, кроме нечётных кратных π/2, при которых cosх обращается в нуль.

Н. ф. обладают многими важными свойствами, которыми и объясняется огромное значение этих функций в математике и её приложениях. Одно из важнейших свойств выражается следующей теоремой: для всякой функции, непрерывной на отрезке [а, b] можно найти многочлен, значения которого отличаются на этом отрезке от значений функции менее чем на произвольно малое, наперёд заданное число (теорема о приближении Н. ф. многочленами). Справедлива также и обратная теорема: всякая функция, которую на некотором отрезке можно с произвольной степенью точности заменить многочленом, непрерывна на этом отрезке.

Функция, непрерывная на отрезке, ограничена на нём и достигает на этом отрезке наибольшего и наименьшего значения (см. Наибольшее и наименьшее значения функций (См. Наибольшее и наименьшее значения функции)). Кроме того, она принимает на этом отрезке все значения, лежащие между её наименьшим и наибольшим значениями. Функции, непрерывные на отрезке, обладают свойством равномерной непрерывности (См. Равномерная непрерывность). Всякая функция, непрерывная на некотором отрезке, интегрируема на нём, т. е. является производной другой Н. ф. Однако не всякая Н. ф. сама имеет производную. Геометрически это означает, что график Н. ф. не обязательно обладает в каждой точке определённым направлением (касательной); это может произойти, например, потому, что график имеет угловую точку (рис.2, функция у = |x|), или потому, что он совершает в любой близости точки О бесконечно много колебаний между двумя пересекающимися прямыми (рис. 3, функция

при х ≠ 0 и y = 0 при x = 0).

Существуют Н. ф., не имеющие производной ни в одной точке (первый пример такого рода был найден Б. Больцано). Представление о графике подобной функции даёт рис. 4, где изображены первые этапы построения, состоящего в неограниченно продолжающейся замене средней трети каждого прямолинейного отрезка двузвенными ломаными; соотношения длин подбираются так, чтобы в пределе получить Н. ф.

Функция F (x, у, z,...) нескольких переменных, определённая в некоторой окрестности точки (x₀, y₀, z₀,...), называется непрерывной в этой точке, если для любого ε > 0 можно указать такое δ > О, что при одновременном выполнении неравенств: |x - x₀| < δ, |у - у₀| < δ, |z - z₀| < δ,... выполняется также и неравенство:

IF (x, у, z,...) - F (x₀, y₀, z₀,...)| < ε.

Такая функция будет непрерывной по отношению к каждому аргументу в отдельности (если остальным аргументам приданы определённые числовые значения). Обратное, однако, неверно: функция F (x:, у, z,...), непрерывная по каждому аргументу в отдельности, может и не быть Н. ф. этих аргументов. Простейший пример этого даёт функция F (x, у), равная xy/(x² + y²), если x² + y² ≠ 0, и равная 0 при x = у = 0. Она непрерывна по x при любом фиксированном значении y по y - при любом фиксированном значении х. В частности, она непрерывна по x при у = 0 и по y при x = 0. Если же положить, например, у = х ≠ 0, то значение функции будет оставаться равным x²/(x² + y²) = ¹/₂, т. е. нельзя будет указать такого числа δ > 0, чтобы при одновременном выполнении неравенств |х| < δ, |у| < δ выполнялось неравенство |ху/(х² + y²)| < ε. На Н. ф. нескольких переменных распространяются все основные теоремы, относящиеся к Н. ф. одного переменного.

Лит.: Хинчин А. Я., Краткий курс математического анализа, М., 1953; Кудрявцев Л. Д., Математический анализ, т. 1, М., 1970.

Рис. 1 к ст. Непрерывная функция.

Рис. 2 к ст. Непрерывная функция.

Рис. 3 к ст. Непрерывная функция.

Рис. 4 к ст. Непрерывная функция.