Kartesische Gruppe

Eine Kartesische Gruppe (auch: Cartesische Gruppe[1], engl. Cartesian Group[2]) i​st eine algebraische Struktur, d​ie in d​er synthetischen Geometrie a​ls Koordinatenbereich für bestimmte affine u​nd projektive Ebenen dient. Der Begriff g​eht auf Reinhold Baer zurück.[3] Jede Kartesische Gruppe k​ann zu e​inem Ternärkörper gemacht werden, j​eder Quasikörper i​st eine Kartesische Gruppe. Die projektive Ebene über e​iner Kartesischen Gruppe gehört d​er Lenz-Klasse II o​der einer höheren Klasse (III, IVa, IVb, V o​der VII) an.

Definition

Eine Menge ${\displaystyle K}$ mit den zweistelligen Verknüpfungen ${\displaystyle +,\;\cdot }$ und zwei verschiedenen Strukturkonstanten ${\displaystyle 0,1\in K}$ heißt Kartesische Gruppe, wenn die folgenden Axiome gelten:[2]

1. ${\displaystyle (K,+)}$ ist eine Gruppe mit dem neutralen Element 0.
2. Es gilt ${\displaystyle 0\cdot x=x\cdot 0=0}$ und ${\displaystyle 1\cdot x=x\cdot 1=x}$
3. Sind ${\displaystyle a,b,c\in K}$ und gilt ${\displaystyle a\neq b}$, dann gibt es genau ein ${\displaystyle x\in K}$ und mindestens ein ${\displaystyle y\in K}$, so dass ${\displaystyle xa=c+xb}$ und ${\displaystyle by=ay+c}$ gilt.

Gleichwertig: ${\displaystyle (K,+,\cdot ,0,1)}$ ist genau dann eine Kartesische Gruppe, wenn

1. ${\displaystyle (K,T,0,1)}$ mit der Ternärverknüpfung ${\displaystyle T(a,b,c)=a\cdot b+c}$ ein Ternärkörper ist und
2. in ${\displaystyle (K,+,0)}$ das Assoziativgesetz gilt, also für ${\displaystyle a,b,c\in K}$ stets ${\displaystyle a+(b+c)=(a+b)+c}$ erfüllt ist.

Eigenschaften und Bemerkungen

• Im 3. Axiom des ersten Systems kann gleichwertig die Existenz von mindestens einer „Linkslösung“ x und genau einer „Rechtslösung“ y gefordert werden. Die Eindeutigkeit der Lösung, die in den Axiomen nicht extra gefordert wird, lässt sich dann aus den übrigen Axiomen herleiten.
• Der im zweiten Axiomensystem genannte, durch ${\displaystyle (K,+,\cdot ,0,1)}$ eindeutig bestimmte Ternärkörper ist stets linear.
• Die affine Ebene über ${\displaystyle K}$ wird über die Ternärverknüpfung so aufgebaut, wie es im Artikel Ternärkörper (für den linearen Fall) beschrieben ist.
• Der projektive Abschluss der genannten affinen Ebene gehört mindestens der Lenz-Klasse II an.
• Die „Addition“ ${\displaystyle +}$ in einer Kartesischen Gruppe muss nicht kommutativ sein.
• Eine Kartesische Gruppe ist ein spezieller linearer Ternärkörper, also eine algebraische Struktur mit zwei unterschiedlichen Verknüpfungen, im Gegensatz zum sonst üblichen Begriff einer Gruppe. Mit der Addition allein bildet jede Kartesische Gruppe eine Gruppe im sonst üblichen Sinn der Algebra.

Beispiele

• Jeder Quasikörper und jede stärkere algebraische Struktur, also jeder Fastkörper, Halbkörper, Alternativkörper, Schiefkörper oder Körper liefert ein Beispiel für eine Kartesische Gruppe.

Koordinatenbereiche angeordneter und ebener projektiver Ebenen

Lässt e​ine affine Ebene e​ine („starke“) Anordnung zu, d​ann ist dadurch a​uch ihr projektiver Abschluss e​ine angeordnete projektive Ebene. Dann i​st auch i​hr Koordinatenternärkörper angeordnet u​nd damit unendlich. In d​en 1960er Jahren wurden einige Beispiele für angeordnete, e​chte Kartesische Gruppen gefunden, d​ie solche angeordneten Ebenen koordinatisieren.[4]

Eine angeordnete projektive Ebene w​ird als ebene projektive Ebene bezeichnet, w​enn sie i​n ihrer „natürlichen“ Topologie, d​ie hier d​urch die Anordnung e​ines (und d​amit jedes) i​hrer Koordinatenternärkörper induziert wird, homöomorph z​ur gewöhnlichen reellen projektiven Ebene ist. Der Koordinatenternärkörper e​iner ebenen projektiven Ebene lässt d​ann immer e​ine archimedische Anordnung zu.

• Der Koordinatenbereich der Moulton-Ebene ist eine Kartesische Gruppe, die kein Quasikörper ist. Man verwendet im Körper der reellen Zahlen ${\displaystyle K=\mathbb {R} }$ die gewöhnliche Addition und definiert eine neue Multiplikation durch

${\displaystyle a\ast _{c}b={\begin{cases}a\cdot c\cdot b&a<0\land b<0\\a\cdot b&{\text{sonst.}}\end{cases}}}$

mit einer positiven Konstante ${\displaystyle c\neq 1}$. Dann ist ${\displaystyle (\mathbb {R} ,+,\ast _{c},0,1)}$ eine Kartesische Gruppe mit kommutativer Addition und kommutativer, nicht assoziativer Multiplikation. Keines der Distributivgesetze ist erfüllt, daher handelt es sich nicht um einen Quasikörper.

• Offensichtlich kann im letzten Beispiel an Stelle von ${\displaystyle \mathbb {R} }$ jeder beliebige geordnete Körper zugrunde gelegt werden.[5] Dies führt zu unendlich vielen, nicht isomorphen Kartesischen Gruppen, die alle unendlich viele Elemente enthalten. Die projektiven Ebenen sind angeordnete projektive Ebenen der Lenz-Barlotti-Klasse III.2 und, sofern der Grundkörper ein Teilkörper der reellen Zahlen ist, archimedisch angeordnet und daher homöomorph zu einer Unterebene der reellen projektiven Ebene.
• Man kann bei der obigen modifizierten Multiplikation für eine Moulton-Ebenen auch von einem nichtkommutativen, angeordneten Schiefkörper K anstelle eines kommutativen Körpers ausgehen. Auch dann bildet ${\displaystyle K_{c}=(K,+,\ast _{c},0,1)}$ stets eine Kartesische Gruppe. Eine projektive Ebene, die durch ${\displaystyle K_{c}}$ koordinatisiert werden kann, ist eine angeordnete, nichtdesarguessche projektive Ebene und hat den Lenz-Barlotti Typ III.2, falls c im Zentrum von K liegt und sonst den Lenz-Barlotti Typ III.1. Da nichtkommutative angeordnete Schiefkörper nicht archimedisch geordnet sein können, sind auch diese Ebenen nicht archimedisch geordnet.

• Eine überabzählbare Menge von Beispielen für eine Kartesische Gruppe ${\displaystyle C=C(k,\rho ,\sigma )=(\mathbb {R} ,+,\circ )}$ erhält man aus dem Körper ${\displaystyle (\mathbb {R} ,+,\cdot )}$ durch die Wahl von drei reellen Parametern ${\displaystyle k,\rho ,\sigma >0;\tau =\rho +\sigma -1>0}$. Man wählt als Addition die gewöhnliche reelle Addition und ersetzt die Multiplikation durch die Verknüpfung für ${\displaystyle a,x\in \mathbb {R} }$:

${\displaystyle a\circ x={\begin{cases}a\cdot x&(0\leq a,x),\\a\cdot x^{\rho ^{-1}}&(a<0<x),\\a^{\sigma ^{-1}}\cdot x&(x<0<a),\\k\cdot (-a)^{\sigma \tau ^{-1}}\cdot (-x)^{\sigma \tau ^{-1}}&(a,x<0).\end{cases}}}$

Jede solche Kartesische Gruppe ${\displaystyle C(k,\rho ,\sigma )}$ koordinatisiert eine von den Parametern ${\displaystyle 0<k,\rho ,\sigma \in \mathbb {R} ,\sigma <1}$ abhängige, nichtdesarguessche, angeordnete, ebene projektive Ebene, die für ${\displaystyle (\rho ,\sigma )\neq (1,1)}$ zur Lenz-Barlotti Klasse II.1 gehört.

• Geht man vom Körper ${\displaystyle (\mathbb {R} ,+,\cdot )}$ aus, behält wieder die Anordnung und die Addition bei und erklärt eine neue Multiplikation für ${\displaystyle s,x\in \mathbb {R} }$ durch

${\displaystyle s\circ x=\alpha ^{-1}(\alpha (s)\cdot \alpha (x))\quad \mathrm {mit} \quad \alpha (x)={\begin{cases}x&(|x|<1),\\{\frac {1}{2}}(x+\operatorname {sgn}(x))&(|x|\geq 1),\end{cases}}}$

dann erhält man eine Kartesische Gruppe ${\displaystyle (\mathbb {R} ,+,\circ )}$, die eine ebene projektive Ebene vom Lenz-Barlotti-Typ II.2 koordinatisiert.

Literatur

• Walter Benz: Grundlagen der Geometrie. In: Ein Jahrhundert Mathematik, 1890–1990. Festschrift zum Jubiläum der DMV. Vieweg, Braunschweig 1990, ISBN 3-528-06326-2.
• Hanfried Lenz: Kleiner desarguesscher Satz und Dualität in projektiven Ebenen. In: Jahresbericht der Deutschen Mathematiker Vereinigung. Band 57. Teubner, 1955, S. 20–31 (Permalink zum digitalisierten Volltext [abgerufen am 25. Dezember 2011]).
• W. A. Pierce: Moulton Planes. In: Canadian J. Math. Band 13, 1961, S. 427–436.
• Sibylla Prieß-Crampe: Angeordnete Strukturen. Gruppen, Körper, projektive Ebenen (= Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete. Band 98). Springer, Berlin/Heidelberg/New York 1983, ISBN 3-540-11646-X (Permalink zu einem Review des Buches [abgerufen am 16. Juni 2012]).
• Charles Weibel: Survey of Non-Desarguesian Planes. In: Notices of the American Mathematical Society. Band 54. American Mathematical Society, November 2007, S. 1294–1303 (ams.org [PDF; 702 kB; abgerufen am 30. Juli 2013]).

Einzelnachweise

1. Lenz (1955)
2. Hauke Klein: Cartesian Group. In: Geometry. Universität Kiel, 29. November 2002, abgerufen am 25. Dezember 2011 (englisch).
3. Benz (1990), S. 244
4. Alle in diesem Abschnitt getroffenen Aussagen und genannten Beispiele finden sich mit Nachweis der Originalliteratur im Buch von Prieß-Crampe (1983)
5. Pierce (1961)