Potenz-assoziative Algebra

Eine potenz-assoziative Algebra ist eine Algebra, in welcher die Potenzen eines Elements unabhängig von der Beklammerungsreihenfolge definiert werden können.

Für ein Magma ${\displaystyle {\mathcal {M}}=(M,\circ )}${\displaystyle {\mathcal {M}}=(M,\circ )} und jedes ${\displaystyle a\in M}${\displaystyle a\in M} definiere man

${\displaystyle a^{1}:=a}${\displaystyle a^{1}:=a} sowie ${\displaystyle a^{k+1}:=a\circ a^{k}}${\displaystyle a^{k+1}:=a\circ a^{k}} für jedes ${\displaystyle k\in \mathbb {N} }${\displaystyle k\in \mathbb {N} }.

Die Verknüpfung ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ } eines Magmas ${\displaystyle (M,\circ )}${\displaystyle (M,\circ )} heißt potenz-assoziativ für ein Element ${\displaystyle a\in M}${\displaystyle a\in M}, wenn für alle positiven natürlichen Zahlen ${\displaystyle i,j\in \mathbb {N} ^{*}}${\displaystyle i,j\in \mathbb {N} ^{*}} gilt

${\displaystyle a^{i+j}=a^{i}\circ a^{j}}${\displaystyle a^{i+j}=a^{i}\circ a^{j}}

Ein Magma ${\displaystyle {\mathcal {M}}=(M,\circ )}${\displaystyle {\mathcal {M}}=(M,\circ )} nennt man potenz-assoziatives Magma, wenn dessen Verknüpfung ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ } potenz-assoziativ ist für jedes ${\displaystyle a\in M}${\displaystyle a\in M}.

Die Algebra ${\displaystyle {\mathcal {A}}}${\displaystyle {\mathcal {A}}} heißt potenz-assoziativ (potenz-assoziative Algebra), wenn ihre Multiplikation ${\displaystyle \cdot }${\displaystyle \cdot } potenz-assoziativ ist, also ${\displaystyle ({\mathcal {A}},\cdot )}${\displaystyle ({\mathcal {A}},\cdot )} ein potenz-assoziatives Magma ist.

• Jede Halbgruppe ist auch immer ein potenz-assoziatives Magma.
• Für jedes idempotente Element eines Magmas gilt die Potenz-Assoziativität: ${\displaystyle a^{i+j}=a=a\circ a=a^{i}\circ a^{j}}${\displaystyle a^{i+j}=a=a\circ a=a^{i}\circ a^{j}}.
  Entsprechend ist jedes idempotente Magma ein potenz-assoziatives Magma
• Jede alternative und flexible Verknüpfung, die die Moufang-Identitäten erfüllt, ist auch potenz-assoziativ.
  Beweis (per vollständiger Induktion):
  • Induktionsanfang ${\displaystyle i=1}${\displaystyle i=1}: ${\displaystyle a^{1}\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}a\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}a^{j+1}=a^{1+j}}${\displaystyle a^{1}\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}a\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}a^{j+1}=a^{1+j}}
  • Induktionsanfang ${\displaystyle i=2}${\displaystyle i=2}: ${\displaystyle a^{2}\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}(a\circ a)\circ a^{j}{\overset {(2)}{=}}a\circ (a\circ a^{j}){\overset {(1)}{=}}a\circ a^{1+j}{\overset {(1)}{=}}a^{2+j}}${\displaystyle a^{2}\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}(a\circ a)\circ a^{j}{\overset {(2)}{=}}a\circ (a\circ a^{j}){\overset {(1)}{=}}a\circ a^{1+j}{\overset {(1)}{=}}a^{2+j}}
  • Induktionsschritt ${\displaystyle i\longrightarrow i+1}${\displaystyle i\longrightarrow i+1} für ${\displaystyle i\geq 2}${\displaystyle i\geq 2}:
    ${\displaystyle a^{i+1}\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}(a\circ a^{i})\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}(a\circ (a\circ a^{i-1}))\circ a^{j}}${\displaystyle a^{i+1}\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}(a\circ a^{i})\circ a^{j}{\overset {(1)}{=}}(a\circ (a\circ a^{i-1}))\circ a^{j}}
    ${\displaystyle {\overset {(3)}{=}}(a\circ (a^{i-1}\circ a))\circ a^{j}}${\displaystyle {\overset {(3)}{=}}(a\circ (a^{i-1}\circ a))\circ a^{j}}
    ${\displaystyle {\overset {(4)}{=}}a\circ (a^{i-1}\circ (a\circ a^{j}))}${\displaystyle {\overset {(4)}{=}}a\circ (a^{i-1}\circ (a\circ a^{j}))}
    ${\displaystyle {\overset {(1)}{=}}a\circ (a^{i-1}\circ a^{j+1})}${\displaystyle {\overset {(1)}{=}}a\circ (a^{i-1}\circ a^{j+1})}
    ${\displaystyle {\overset {(5)}{=}}a\circ a^{(i-1)+(j+1)}=a\circ a^{i+j}{\overset {(1)}{=}}a^{(i+j)+1}=a^{(i+1)+j}}${\displaystyle {\overset {(5)}{=}}a\circ a^{(i-1)+(j+1)}=a\circ a^{i+j}{\overset {(1)}{=}}a^{(i+j)+1}=a^{(i+1)+j}}

(1) Definition ${\displaystyle a^{n}}${\displaystyle a^{n}}

(2) (Links-)Alternativität von ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ }

(3) Flexibilität (und der daraus folgenden ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-Potenz-Assoziativität, siehe unten) von ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ }

(4) Moufang-Identität für ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ }

(5) Induktionsvoraussetzung

• Für die Multiplikation einer Algebra reicht hierfür bereits die Alternativität aus, siehe unten!
• Für Spezialfälle reichen weniger Voraussetzungen aus. So folgt ${\displaystyle a^{3+2}=a^{3}a^{2}}${\displaystyle a^{3+2}=a^{3}a^{2}} bereist aus der Alternativität:
  ${\displaystyle a^{3+2}=a^{5}{\overset {(1)}{=}}a(a(a(aa))){\overset {(2)}{=}}a((aa)(aa)){\overset {(3)}{=}}(a(aa))(aa){\overset {(1)}{=}}a^{3}a^{2}}${\displaystyle a^{3+2}=a^{5}{\overset {(1)}{=}}a(a(a(aa))){\overset {(2)}{=}}a((aa)(aa)){\overset {(3)}{=}}(a(aa))(aa){\overset {(1)}{=}}a^{3}a^{2}}
  1: Definition ${\displaystyle a^{n}}${\displaystyle a^{n}}
  2: Linksalternativität
  3: Rechtsalternativität

• Alle assoziativen Algebren sind potenz-assoziativ.

• Alle alternativen Algebren sind potenz-assoziativ.
  • In einer Algebra folgt aus der Alternativität die Flexibilität der Multiplikation, und außerdem die Erfüllung der Moufang-Identitäten (siehe auch Eigenschaften von Alternativkörpern)!

• Alle ${\displaystyle K}${\displaystyle K}-Algebren ${\displaystyle {\mathcal {A}}}${\displaystyle {\mathcal {A}}}, in denen es zu jedem ${\displaystyle a\in {\mathcal {A}}}${\displaystyle a\in {\mathcal {A}}} ein ${\displaystyle c_{a}\in K}${\displaystyle c_{a}\in K} gibt mit ${\displaystyle a\cdot a=c_{a}\cdot a}${\displaystyle a\cdot a=c_{a}\cdot a}, sind potenz-assoziativ.
  • Hierzu gehört beispielsweise ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}, ausgestattet mit dem Kreuzprodukt, da ${\displaystyle a\times a=0}${\displaystyle a\times a=0} für alle ${\displaystyle a\in \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle a\in \mathbb {R} ^{3}}.
• Die Algebra der Sedenionen ist ebenfalls eine potenz-assoziative Algebra.

Die Verknüpfung ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ } eines Magmas ${\displaystyle (M,\circ )}${\displaystyle (M,\circ )} heißt ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziativ für ein Element ${\displaystyle a\in M}${\displaystyle a\in M}, wenn für die positive natürliche Zahl ${\displaystyle i\in \mathbb {N} ^{*}}${\displaystyle i\in \mathbb {N} ^{*}} gilt:

${\displaystyle a^{i}\circ a=a\circ a^{i}}${\displaystyle a^{i}\circ a=a\circ a^{i}}

Ein Magma, dessen Verknüpfung ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziativ ist, kann man somit auch als ein ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziatives Magma bezeichnen.

Ein potenz-assoziatives Magma ist auch immer ein ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziatives Magma, denn es gilt:

${\displaystyle a\circ a^{i}{\overset {(1)}{=}}a^{i+1}{\overset {(2)}{=}}a^{i}\circ a^{1}{\overset {(1)}{=}}a^{i}\circ a}${\displaystyle a\circ a^{i}{\overset {(1)}{=}}a^{i+1}{\overset {(2)}{=}}a^{i}\circ a^{1}{\overset {(1)}{=}}a^{i}\circ a}

1: Definition ${\displaystyle a^{n}}${\displaystyle a^{n}}

2: Potenz-Assoziativität von ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ }

Ein flexibles Magma (und erst recht jede Halbgruppe) ist auch immer ein ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziatives Magma, denn es gilt (per vollständiger Induktion):

• Induktionsanfang ${\displaystyle i=1}${\displaystyle i=1} (nur mit Definition ${\displaystyle a^{n}}${\displaystyle a^{n}}): ${\displaystyle a^{1}\circ a=a\circ a=a\circ a^{1}}${\displaystyle a^{1}\circ a=a\circ a=a\circ a^{1}}
• Induktionsschritt ${\displaystyle i\longrightarrow i+1}${\displaystyle i\longrightarrow i+1}: ${\displaystyle a^{i+1}\circ a{\overset {(1)}{=}}(a\circ a^{i})\circ a{\overset {(2)}{=}}a\circ (a^{i}\circ a){\overset {(3)}{=}}a\circ (a\circ a^{i}){\overset {(1)}{=}}a\circ a^{i+1}}${\displaystyle a^{i+1}\circ a{\overset {(1)}{=}}(a\circ a^{i})\circ a{\overset {(2)}{=}}a\circ (a^{i}\circ a){\overset {(3)}{=}}a\circ (a\circ a^{i}){\overset {(1)}{=}}a\circ a^{i+1}}

1: Definition ${\displaystyle a^{n}}${\displaystyle a^{n}}

2: Flexibilität von ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ }

3: Induktionsvoraussetzung

Die Verknüpfung ${\displaystyle \circ }${\displaystyle \circ } eines Magmas ${\displaystyle (M,\circ )}${\displaystyle (M,\circ )} heißt idemassoziativ (in Anlehnung an idempotent ) für ein Element ${\displaystyle a\in M}${\displaystyle a\in M}, wenn gilt

${\displaystyle a\circ (a\circ a)=(a\circ a)\circ a}${\displaystyle a\circ (a\circ a)=(a\circ a)\circ a}.

Ein Magma, dessen Verknüpfung idemassoziativ ist, kann man somit auch als ein idemassoziatives Magma bezeichnen.

Ein ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziatives Magma ist auch immer ein idemassoziatives Magma (mit ${\displaystyle i=2}${\displaystyle i=2}).

1. Das Magma mit der folgenden Verknüpfungstafel ist idemassoziativ, aber weder ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziativ (und somit auch nicht potenz-assoziativ) noch flexibel noch alternativ:

• nicht linksalternativ wegen ${\displaystyle 0\circ (0\circ 1)=0\circ 1=1\neq 0=2\circ 1=(0\circ 0)\circ 1}${\displaystyle 0\circ (0\circ 1)=0\circ 1=1\neq 0=2\circ 1=(0\circ 0)\circ 1}
• nicht rechtsalternativ wegen ${\displaystyle 0\circ (2\circ 2)=0\circ 0=2\neq 0=2\circ 2=(0\circ 2)\circ 2}${\displaystyle 0\circ (2\circ 2)=0\circ 0=2\neq 0=2\circ 2=(0\circ 2)\circ 2}
• nicht flexibel wegen ${\displaystyle 1\circ (0\circ 1)=2\neq 0=(1\circ 0)\circ 1}${\displaystyle 1\circ (0\circ 1)=2\neq 0=(1\circ 0)\circ 1}
• nicht potenz-assoziativ wegen ${\displaystyle 0^{2+2}=0^{4}=0\circ (0\circ (0\circ 0)=2\neq 0=(0\circ 0)\circ (0\circ 0)=0^{2}\circ 0^{2}}${\displaystyle 0^{2+2}=0^{4}=0\circ (0\circ (0\circ 0)=2\neq 0=(0\circ 0)\circ (0\circ 0)=0^{2}\circ 0^{2}}
• nicht ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziativ für ${\displaystyle i\geq 3}${\displaystyle i\geq 3} wegen ${\displaystyle 1\circ 1^{3}=1\circ (1\circ (1\circ 1))=2\neq 1=(1\circ (1\circ 1))\circ 1=1^{3}\circ 1}${\displaystyle 1\circ 1^{3}=1\circ (1\circ (1\circ 1))=2\neq 1=(1\circ (1\circ 1))\circ 1=1^{3}\circ 1}
• idemassoziativ wegen
  • ${\displaystyle 0\circ (0\circ 0)=2=(0\circ 0)\circ 0}${\displaystyle 0\circ (0\circ 0)=2=(0\circ 0)\circ 0}
  • ${\displaystyle 1\circ (1\circ 1)=0=(1\circ 1)\circ 1}${\displaystyle 1\circ (1\circ 1)=0=(1\circ 1)\circ 1}
  • ${\displaystyle 2\circ (2\circ 2)=2=(2\circ 2)\circ 2}${\displaystyle 2\circ (2\circ 2)=2=(2\circ 2)\circ 2}

2. Das Magma mit der folgenden Verknüpfungstafel ist potenz-assoziativ (und somit auch ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziativ und idemassoziativ), aber weder flexibel noch alternativ:

• nicht alternativ wegen ${\displaystyle 1\circ (1\circ 2)=2\neq 0=(1\circ 1)\circ 2}${\displaystyle 1\circ (1\circ 2)=2\neq 0=(1\circ 1)\circ 2}
• nicht flexibel wegen ${\displaystyle 2\circ (1\circ 2)=2\neq 0=(2\circ 1)\circ 2}${\displaystyle 2\circ (1\circ 2)=2\neq 0=(2\circ 1)\circ 2}
• potenz-assoziativ wegen
  • ${\displaystyle 0^{i+j}=0=0\circ 0=0^{i}\circ 0^{j}}${\displaystyle 0^{i+j}=0=0\circ 0=0^{i}\circ 0^{j}}
  • ${\displaystyle 1^{i+j}=0=0\circ 0=1^{i}\circ 1^{j}}${\displaystyle 1^{i+j}=0=0\circ 0=1^{i}\circ 1^{j}}
  • ${\displaystyle 2^{i+j}=2=2\circ 2=2^{i}\circ 2^{j}}${\displaystyle 2^{i+j}=2=2\circ 2=2^{i}\circ 2^{j}}

3. Das Potenzieren ist nicht idemassoziativ (und somit auch weder ${\displaystyle i}${\displaystyle i}-potenz-assoziativ noch potenz-assoziativ), denn es gilt zum Beispiel: ${\displaystyle \left(3^{3}\right)^{3}=27^{3}=19683\neq 7625597484987=3^{27}=3^{\left(3^{3}\right)}}${\displaystyle \left(3^{3}\right)^{3}=27^{3}=19683\neq 7625597484987=3^{27}=3^{\left(3^{3}\right)}}.

• Ebbinghaus et al.: Zahlen. Springer, Berlin 1992, ISBN 3-54055-654-0.
• R. D. Schafer: An Introduction to Nonassociative Algebras. Benediction Classics, 2010, ISBN 1-84902-590-8.

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