Działanie dwuargumentowe

Działanie dwuargumentowe, działanie binarne – działanie algebraiczne o argumentowości równej dwa, czyli funkcja przypisująca dwóm elementom jednego zbioru element tego samego zbioru: $*\colon X\times X\to X.$ Takie działania bywają też nazywane wewnętrznymi dla kontrastu z działaniami zewnętrznymi opisanymi w dalszej sekcji.

Symbole czterech podstawowych działań arytmetycznych używane w Polsce

Działania dwuargumentowe pojawiają się między innymi w arytmetyce i są jednym z głównych przedmiotów badań algebry. Takimi działaniami definiuje się podstawowe struktury algebraiczne jak:

• grupy i ich uogólnienia na monoidy, półgrupy i grupoidy;
• ciała i ich uogólnienia na pierścienie i półpierścienie;
• algebry Boole’a i ich uogólnienia jak kraty i półkraty.

Działania dwuargumentowe mogą mieć różne własności jak przemienność, łączność i rozdzielność względem innego działania na tym samym zbiorze. Elementy zbioru, na którym określono działanie, mogą mieć względem tego działania szczególne własności jak neutralność i idempotentność. Własności działań i istnienie takich elementów pojawiają się w aksjomatycznych definicjach wspomnianych struktur.

Przykłady

Działania wewnętrzne

Działanie dwuargumentowe wewnętrzne

Sa to funkcje przypisująca każdej parze uporządkowanej elementów danego zbioru $X$ element tego samego zbioru:

$*\colon X\times X\to X,\ \forall x,y\in X\colon (x,y)\mapsto x*y.$

Przykłady to:

• dodawanie (+) liczb naturalnych i jego uogólnienia jak dodawanie liczb całkowitych, wymiernych, rzeczywistych, zespolonych i innych;
• odejmowanie (−) liczb całkowitych i jego uogólnienia jak odejmowanie liczb wymiernych, rzeczywistych, zespolonych i innych;
• mnożenie (·) liczb naturalnych i jego uogólnienia jak odejmowanie liczb całkowitych, wymiernych, rzeczywistych, zespolonych i innych;
• dzielenie (:) niezerowych liczb wymiernych, niezerowych rzeczywistych, niezerowych zespolonych i innych. Nie jest to działanie na wszystkich liczbach wymiernych, gdyż nie jest określone dzielenie przez zero – wynik dla par postaci $(x,0)$;
• potęgowanie dodatnich liczb naturalnych i jego uogólnienie na potęgowanie dodatnich liczb rzeczywistych;
• dodawanie wektorów w przestrzeni liniowej;
• złożenie funkcji działających wewnątrz ustalonego zbioru, inaczej działań jednoargumentowych: $\circ \colon F\times F\to F.$

Mnożenie i dodawanie liczb jest łączne i przemienne. Z kolei odejmowanie i dzielenie, nie są ani łączne, ani przemienne. Elementem neutralnym dodawania liczb rzeczywistych jest $0,$ elementem neutralnym mnożenia jest $1.$ Działania odejmowania i dzielenia liczb rzeczywistych nie mają elementów neutralnych. W ogólności składanie funkcji jest łączne, ale nie jest przemienne.

Działania zewnętrzne

Działanie zewnętrzne to funkcja przypisująca każdemu elementowi iloczynu kartezjańskiego zbiorów $X$ oraz $Y$ element pewnego zbioru $Z,$

$\spadesuit \colon X\times Y\to Z,\quad \forall _{x\in X,y\in Y}\;(x,y)\mapsto \spadesuit (x,y)$

Przykładami takich działań są

• mnożenie przez skalar w przestrzeni liniowej $V$ nad ciałem $K,$

  $\cdot \colon K\times V\to V,$

• działanie grupy $G$ na zbiorze $X,$

  $\varphi \colon G\times X\to X.$

Oznaczenia

Działania, w przeciwieństwie do funkcji zapisywanych zwykle z wykorzystaniem zapisu przedrostkowego, np. $f(a,b),$ opisuje się najczęściej za pomocą zapisu wrostkowego, np. $a\oplus b,$ choć nic nie stoi na przeszkodzie, aby korzystać z pozostałych sposobów: dla funkcji (działania) $\diamondsuit$ wyróżnia się notacje

• przedrostkową, prefiksową lub polską,

  $\diamondsuit (x,y),$

• przyrostkową, postfiksową lub odwrotną polską,

  $(x,y)\diamondsuit ,$

• wrostkowa, infiksowa,

  $(x\;\diamondsuit \;y).$

Przykładowo wyrażenie wrostkowe $2\cdot (4-1)+3,$ będzie miało następującą postać

• prefiksową: $+\,\cdot \,2\,-\,4\;1\;3,$
• postfiksową: $2\,4\,1\,-\,\cdot \,3\,+.$

Przewagą notacji przyrostkowej, jak i przedrostkowej nad notacją wrostkowej jest fakt, że nawiasy w wyrażeniach można pominąć nawet wtedy, gdy działanie nie jest łączne.

Ze względu na tradycję, szczególnie jeśli rozważa się więcej niż jedno działanie i pozostają one między sobą w pewnej relacji, to funkcje w zapisie addytywnym zapisuje się zwykle z wykorzystaniem symboli zawierających:

• plus:

  $+\oplus \bigoplus \uplus \biguplus \boxplus$ lub

• zwężających się ku dołowi:

  $\cup \bigcup \biguplus \sqcup \bigsqcup \vee \bigvee .$

Działanie odwrotne do powyższego zapisuje się zazwyczaj za pomocą symboli zawierających poziomą kreskę $-\circleddash \ominus \boxminus .$

Symbole działań w zapisie multiplikatywnym obejmują m.in.:

• kropkę lub okrągły znak:

  $\cdot \circ \bullet \bigodot \boxdot \;\circledcirc ,$

• iks:

  $\times \otimes \bigotimes \boxtimes ,$

• gwiazdkę:

  $\star *\circledast$ lub

• zwężające się ku górze

  $\cap \bigcap \sqcap \wedge \bigwedge .$

Popularne działania multiplikatywne (mnożenia) częstokroć nie posiadają oznaczenia. Działanie odwrotne do powyższego oznacza się najczęściej przez $\cdot ^{-1},$ notacji wynikającej z definicji potęgowania.

Struktury algebraiczne

Strukturę $(X,\heartsuit )$ nazywa się grupoidem. Jeśli jest ono dodatkowo łączne, strukturę tę nazywa się półgrupą. Jeśli działanie $\heartsuit$ ma dodatkowo element neutralny, to struktura $(X,\heartsuit )$ jest monoidem. Jeśli struktura $(X,\diamondsuit ,\heartsuit )$ jest grupą ze względu na przemienne działanie $\diamondsuit$ i półgrupą ze względu na $\heartsuit ,$ przy czym działanie $\heartsuit$ jest rozdzielne względem $\diamondsuit ,$ to strukturę tę nazywa się pierścieniem. Jeżeli działanie $\heartsuit$ jest przemienne, to dowolną z powyższych struktur nazywa się przemienną.

Zobacz też

• Liczba Grahama
• Notacja strzałkowa
• Tetracja

Linki zewnętrzne

• Eric W.E.W. Weisstein Eric W.E.W., Binary Operation, [w:] MathWorld, Wolfram Research  (ang.). [dostęp 2023-08-30].
• Binary operation (ang.), Encyclopedia of Mathematics, encyclopediaofmath.org, [dostęp 2023-08-30].