Clasa 12Algebră

Grupuri — Teorie, Formule si Exemple

Grupurile sunt structuri algebrice fundamentale din programa de Matematica M1, clasa a 12-a. La examenul de Bacalaureat, grupurile apar frecvent la Subiectul II, unde cerințele tipice sunt: „Demonstrați că (A,)(A, *) este grup abelian", „Găsiți un subgrup" sau „Arătați că ff este morfism de grupuri". Un grup se definește prin patru axiome — închidere, asociativitate, element neutru și existența inverselor — iar dacă operația este și comutativă, grupul se numește abelian. Stăpânirea axiomelor, a subgrupurilor și a morfismelor îți asigură punctaj maxim pe această temă obligatorie.

Definiția grupului — cele 4 axiome și proprietăți imediate

Grup: O pereche (G,)(G, *) unde GG este o mulțime nevidă și * o lege de compoziție internă, satisfăcând: G1 (Internă/Închidere): a,bG:abG\forall a, b \in G: a * b \in G G2 (Asociativitate): a,b,cG:(ab)c=a(bc)\forall a, b, c \in G: (a * b) * c = a * (b * c) G3 (Element neutru): eG:ae=ea=a,aG\exists\, e \in G: a * e = e * a = a, \quad \forall a \in G G4 (Elemente inverse): aG,a1G:aa1=a1a=e\forall a \in G, \exists\, a^{-1} \in G: a * a^{-1} = a^{-1} * a = e Grup abelian (comutativ): Satisface în plus G5: ab=ba,a,bGa * b = b * a, \quad \forall a, b \in G Proprietăți imediate (demonstrabile din axiome):
  • Elementul neutru este unic
  • Inversul fiecărui element este unic
  • (a1)1=a(a^{-1})^{-1} = a
  • (ab)1=b1a1(a * b)^{-1} = b^{-1} * a^{-1} (atenție la ordinea inversată!)
  • Ecuațiile ax=ba * x = b și xa=bx * a = b au soluție unică în GG
usorModel Bacalaureat — Subiectul II
Fie A={aRa1}A = \{a \in \mathbb{R} \mid a \neq -1\} și ab=a+b+aba * b = a + b + ab. Demonstrați că (A,)(A, *) este grup abelian.
1
2 puncte
G1 (Internă): ab=a+b+ab=(1+a)(1+b)1a*b = a+b+ab = (1+a)(1+b)-1. Dacă a,b1a,b \neq -1 atunci (1+a)(1+b)0(1+a)(1+b)\neq 0, deci ab1a*b \neq -1, adică abAa*b \in A. ✓
2
2 puncte
G2 (Asociativitate): (ab)c=(a+b+ab)+c+(a+b+ab)c=a+b+c+ab+ac+bc+abc(a*b)*c = (a+b+ab)+c+(a+b+ab)c = a+b+c+ab+ac+bc+abc. Similar, a(bc)=a+b+c+ab+ac+bc+abca*(b*c) = a+b+c+ab+ac+bc+abc. Egalitate verificată. ✓
3
2 puncte
G3 (Element neutru): Rezolvăm ae=aa*e = a: a+e+ae=ae(1+a)=0a+e+ae = a \Rightarrow e(1+a) = 0. Cum a1a \neq -1, obținem e=0e = 0. Verificare: 0A0 \in A (căci 010 \neq -1) și a0=a+0+0=aa*0 = a+0+0 = a, 0a=0+a+0=a0*a = 0+a+0 = a. ✓
4
2 puncte
G4 (Invers): Rezolvăm aa=0a*a' = 0: a+a+aa=0a(1+a)=aa=a1+aa+a'+aa' = 0 \Rightarrow a'(1+a) = -a \Rightarrow a' = -\dfrac{a}{1+a}. Verificăm: a1a' \neq -1 deoarece a1+a=1a=1+a-\frac{a}{1+a} = -1 \Leftrightarrow a = 1+a (imposibil). Deci aAa' \in A. ✓
5
2 puncte
G5 (Comutativitate): ab=a+b+ab=b+a+ba=baa*b = a+b+ab = b+a+ba = b*a (adunarea și înmulțirea în R\mathbb{R} sunt comutative). ✓ Deci (A,)(A,*) este grup abelian.
mediuBacalaureat 2023 — variantă similară
Pe R\mathbb{R}, definim xy=x+y3x * y = x + y - 3. Demonstrați că (R,)(\mathbb{R}, *) este grup abelian.
1
1 punct
G1: xy=x+y3Rx * y = x + y - 3 \in \mathbb{R}, pentru orice x,yRx, y \in \mathbb{R}. ✓
2
2 puncte
G2: (xy)z=(x+y3)+z3=x+y+z6(x*y)*z = (x+y-3)+z-3 = x+y+z-6. x(yz)=x+(y+z3)3=x+y+z6x*(y*z) = x+(y+z-3)-3 = x+y+z-6. Egalitate. ✓
3
3 puncte
G3: xe=xx+e3=xe=3x*e = x \Rightarrow x+e-3 = x \Rightarrow e = 3. Verificare: 3R3 \in \mathbb{R}, x3=x+33=xx*3 = x+3-3 = x, 3x=3+x3=x3*x = 3+x-3 = x. ✓
4
2 puncte
G4: xx=3x+x3=3x=6xx*x' = 3 \Rightarrow x+x'-3 = 3 \Rightarrow x' = 6-x. Evident xRx' \in \mathbb{R}. ✓
5
2 puncte
G5: xy=x+y3=y+x3=yxx*y = x+y-3 = y+x-3 = y*x. ✓ (R,)(\mathbb{R}, *) este grup abelian.

Exemple clasice de grupuri — tabele de memorat pentru Bacalaureat

Grupuri abeliene standard — de memorat: | Grup | Neutru | Inversul lui aa | |------|--------|-----------------| | (Z,+)(\mathbb{Z}, +) | 00 | a-a | | (Q,+)(\mathbb{Q}, +), (R,+)(\mathbb{R}, +) | 00 | a-a | | (Q,)(\mathbb{Q}^*, \cdot), (R,)(\mathbb{R}^*, \cdot) | 11 | 1a\frac{1}{a} | | (R>0,)(\mathbb{R}_{>0}, \cdot) | 11 | 1a\frac{1}{a} | | (Zn,+n)(\mathbb{Z}_n, +_n) | 00 | nkn-k (pentru kk) | | (Mn(R),+)(M_n(\mathbb{R}), +) | OnO_n | A-A | Nu sunt grupuri (contraexemple importante):
  • (Z,)(\mathbb{Z}, \cdot): 22 nu are invers în Z\mathbb{Z} (12Z\frac{1}{2} \notin \mathbb{Z})
  • (N,+)(\mathbb{N}, +): 11 nu are invers (1N-1 \notin \mathbb{N})
  • (Mn(R),)(M_n(\mathbb{R}), \cdot): matricea nulă nu este inversabilă (G4 pică)
  • (R,)(\mathbb{R}, \cdot): elementul 00 nu are invers (10\frac{1}{0} nu există)
Grup neabelian clasic: (GLn(R),)(GL_n(\mathbb{R}), \cdot) — matricele inversabile de ordin n2n \geq 2, cu înmulțirea. Neutru: InI_n. NU este abelian: în general ABBAA \cdot B \neq B \cdot A.
usorVerificare directă
Justificați de ce (Z,)(\mathbb{Z}, \cdot) nu este grup.
1
2 puncte
Verificăm G4: inversul lui 2Z2 \in \mathbb{Z} față de înmulțire ar trebui să fie xx cu 2x=12 \cdot x = 1, adică x=12x = \frac{1}{2}.
2
3 puncte
12Z\frac{1}{2} \notin \mathbb{Z}, deci axioma G4 (existența inverselor) nu este satisfăcută. (Z,)(\mathbb{Z}, \cdot) nu este grup.
mediuExercițiu de antrenament
Fie A={aRa>0,a1}A = \{a \in \mathbb{R} \mid a > 0, a \neq 1\} și ab=alnba * b = a^{\ln b}. Arătați că legea * este comutativă.
1
2 puncte
Calculăm ab=alnb=elnalnba * b = a^{\ln b} = e^{\ln a \cdot \ln b}.
2
2 puncte
Calculăm ba=blna=elnblna=elnalnbb * a = b^{\ln a} = e^{\ln b \cdot \ln a} = e^{\ln a \cdot \ln b}.
3
1 punct
Deci ab=baa * b = b * a pentru orice a,bAa, b \in A. Legea este comutativă. ✓

Subgrupuri — criterii de verificare și teorema lui Lagrange

Subgrup: HGH \subseteq G este subgrup al lui (G,)(G, *) dacă (H,)(H, *) este ea însăși grup (cu aceeași operație). Criteriu de subgrup în 3 pași (mai eficient decât re-verificarea tuturor axiomelor):
  1. HH \neq \emptyset (de obicei arătăm că eHe \in H)
  2. a,bH:abH\forall a, b \in H: a * b \in H (închidere)
  3. aH:a1H\forall a \in H: a^{-1} \in H (stabilitate la inversare)
Criteriu compact (o singură condiție): HH \neq \emptyset și a,bH:ab1H\forall a, b \in H: a * b^{-1} \in H. Subgrupuri triviale: {e}\{e\} și GG însuși sunt subgrupuri ale oricărui grup (G,)(G, *). Teorema lui Lagrange: Dacă (G,)(G, *) este grup finit cu G=n|G| = n și HH este subgrup, atunci H|H| divide nn. Consecință practică: Dacă G=12|G| = 12, subgrupurile pot avea doar ordinele 1,2,3,4,6,121, 2, 3, 4, 6, 12. Exemple importante:
  • (2Z,+)(2\mathbb{Z}, +) este subgrup al lui (Z,+)(\mathbb{Z}, +) — numerele pare, cu adunarea
  • (nZ,+)(n\mathbb{Z}, +) este subgrup al lui (Z,+)(\mathbb{Z}, +) pentru orice nNn \in \mathbb{N}
  • Subgrupurile lui (Z,+)(\mathbb{Z}, +) sunt exact mulțimile nZn\mathbb{Z}, cu nNn \in \mathbb{N}
mediuExercițiu de antrenament
Găsiți toate subgrupurile lui (Z6,+6)(\mathbb{Z}_6, +_6).
1
2 puncte
Prin teorema lui Lagrange, ordinele subgrupurilor divid Z6=6|\mathbb{Z}_6|=6. Ordine posibile: 1,2,3,61, 2, 3, 6.
2
3 puncte
  • Ordin 1: {0}\{0\}.
  • Ordin 2: {0,3}\{0,3\} (deoarece 3+63=03+_6 3=0, deci 33 este inversul lui 33).
  • Ordin 3: {0,2,4}\{0,2,4\} (deoarece 2+62=42+_6 2=4, 4+62=04+_6 2=0).
  • Ordin 6: Z6\mathbb{Z}_6 însuși.
3
Cele 4 subgrupuri ale lui (Z6,+6)(\mathbb{Z}_6, +_6) sunt: {0}\{0\}, {0,3}\{0,3\}, {0,2,4}\{0,2,4\}, Z6\mathbb{Z}_6.
mediuModel Bacalaureat
Fie (R,)(\mathbb{R}^*, \cdot) grupul numerelor reale nenule cu înmulțirea. Arătați că H={1,1}H = \{-1, 1\} este subgrup.
1
1 punct
Nevid: H={1,1}H = \{-1, 1\} \neq \emptyset. ✓
2
2 puncte
Închidere: 11=1H1 \cdot 1 = 1 \in H, 1(1)=1H1 \cdot (-1) = -1 \in H, (1)1=1H(-1) \cdot 1 = -1 \in H, (1)(1)=1H(-1)\cdot(-1) = 1 \in H. ✓
3
2 puncte
Inversul: 11=1H1^{-1} = 1 \in H, (1)1=1H(-1)^{-1} = -1 \in H. ✓ Deci (H,)(H, \cdot) este subgrup al lui (R,)(\mathbb{R}^*, \cdot).

Morfisme de grupuri — homomorfisme, izomorfisme și nucleu

Morfism (homomorfism) de grupuri: O funcție f:(G,)(H,)f: (G, *) \to (H, \circ) cu proprietatea: f(ab)=f(a)f(b),a,bGf(a * b) = f(a) \circ f(b), \quad \forall a, b \in G Proprietăți automate (consecințe directe, nu trebuie demonstrate separat):
  • f(eG)=eHf(e_G) = e_H (imaginea neutrului este neutrul)
  • f(a1)=[f(a)]1f(a^{-1}) = [f(a)]^{-1} (imaginea inversului este inversul imaginii)
Tipuri de morfisme:
  • Izomorfism: morfism bijectiv. Notăm GHG \cong H (grupuri structural identice).
  • Monomorfism: morfism injectiv (f(a)=f(b)a=bf(a) = f(b) \Rightarrow a = b)
  • Epimorfism: morfism surjectiv (hH,gG:f(g)=h\forall h \in H, \exists g \in G: f(g) = h)
  • Endomorfism: morfism de la GG la GG
  • Automorfism: izomorfism de la GG la GG
Nucleul morfismului: kerf={aGf(a)=eH}\ker f = \{a \in G \mid f(a) = e_H\}
  • kerf\ker f este întotdeauna subgrup al lui GG
  • ff este injectiv kerf={eG}\Leftrightarrow \ker f = \{e_G\}
Imaginea morfismului: Imf={f(a)aG}\text{Im}\, f = \{f(a) \mid a \in G\} — este subgrup al lui HH.
mediuProblemă de antrenament
Demonstrați că f:(R,+)(R,)f: (\mathbb{R}, +) \to (\mathbb{R}^*, \cdot), f(x)=2xf(x) = 2^x este morfism de grupuri. Este surjectiv?
1
3 puncte
Morfism: f(x+y)=2x+y=2x2y=f(x)f(y)f(x+y) = 2^{x+y} = 2^x \cdot 2^y = f(x) \cdot f(y), pentru orice x,yRx, y \in \mathbb{R}. ✓
2
2 puncte
Verificare proprietăți automate: f(0)=20=1=eRf(0) = 2^0 = 1 = e_{\mathbb{R}^*} ✓. f(x)=2x=12x=[f(x)]1f(-x) = 2^{-x} = \frac{1}{2^x} = [f(x)]^{-1} ✓.
3
2 puncte
Nu este surjectiv: Imf={2xxR}=(0,+)R\text{Im}\, f = \{2^x \mid x \in \mathbb{R}\} = (0,+\infty) \subsetneq \mathbb{R}^*. De exemplu, 1R-1 \in \mathbb{R}^* nu are preimaginea, deoarece 2x>02^x > 0 pentru orice xRx \in \mathbb{R}.
mediuBacalaureat — variantă similară
Fie f:(Z,+)(Z5,+5)f: (\mathbb{Z}, +) \to (\mathbb{Z}_5, +_5), f(n)=nf(n) = \overline{n} (restul împărțirii la 5). Arătați că ff este morfism și determinați kerf\ker f.
1
3 puncte
Morfism: f(m+n)=m+n=m+5n=f(m)+5f(n)f(m+n) = \overline{m+n} = \overline{m} +_5 \overline{n} = f(m) +_5 f(n), pentru orice m,nZm, n \in \mathbb{Z}. ✓
2
3 puncte
Nucleul: kerf={nZf(n)=0}={nZ5n}=5Z\ker f = \{n \in \mathbb{Z} \mid f(n) = \overline{0}\} = \{n \in \mathbb{Z} \mid 5 \mid n\} = 5\mathbb{Z}.
3
2 puncte
Observație: ff este surjectiv (epimorfism) deoarece kZ5\forall \overline{k} \in \mathbb{Z}_5, f(k)=kf(k) = \overline{k}. Nu este injectiv deoarece kerf=5Z{0}\ker f = 5\mathbb{Z} \neq \{0\}.

Ordinul unui element și grupuri ciclice

Ordinul unui element aGa \in G: Cel mai mic nNn \in \mathbb{N}^* astfel încât an=ea^n = e. Se notează ord(a)=n\text{ord}(a) = n. Dacă nu există un astfel de nn, spunem că aa are ordin infinit. Notație: ana^n înseamnă aaan\underbrace{a * a * \cdots * a}_{n}, iar a0=ea^0 = e, an=(a1)na^{-n} = (a^{-1})^n. Proprietăți ale ordinului:
  • ord(e)=1\text{ord}(e) = 1
  • ak=eord(a)ka^k = e \Leftrightarrow \text{ord}(a) \mid k
  • Dacă G=n|G| = n (finit), atunci ord(a)\text{ord}(a) divide nn (consecință a teoremei lui Lagrange)
Grup ciclic: (G,)(G, *) este ciclic dacă gG\exists g \in G cu G={gkkZ}G = \{g^k \mid k \in \mathbb{Z}\}. Elementul gg se numește generator. Exemple:
  • (Zn,+n)(\mathbb{Z}_n, +_n) este ciclic, generat de 1\overline{1}
  • (Z,+)(\mathbb{Z}, +) este ciclic infinit, generat de 11 (sau 1-1)
  • Orice grup ciclic este abelian
usorExercițiu de antrenament
Determinați ordinul fiecărui element din (Z4,+4)(\mathbb{Z}_4, +_4).
1
1 punct
0\overline{0}: ord(0)=1\text{ord}(\overline{0}) = 1 (este elementul neutru).
2
2 puncte
1\overline{1}: 1,1+1=2,3,0\overline{1}, \overline{1}+\overline{1}=\overline{2}, \overline{3}, \overline{0}. Ajungem la 0\overline{0} după 4 pași, deci ord(1)=4\text{ord}(\overline{1}) = 4.
3
2 puncte
2\overline{2}: 2+2=0\overline{2}+\overline{2}=\overline{0}, deci ord(2)=2\text{ord}(\overline{2}) = 2. 3\overline{3}: 3,2,1,0\overline{3}, \overline{2}, \overline{1}, \overline{0}, deci ord(3)=4\text{ord}(\overline{3}) = 4.
4
Generatorii lui (Z4,+4)(\mathbb{Z}_4, +_4) sunt 1\overline{1} și 3\overline{3} (elementele de ordin 4).
mediuExercițiu clasic
În grupul (Z12,+12)(\mathbb{Z}_{12}, +_{12}), determinați ordinul elementului 4\overline{4} și subgrupul generat de 4\overline{4}.
1
2 puncte
Calculăm puterile succesive: 4,8,0\overline{4}, \overline{8}, \overline{0}. Deci 34=12=03 \cdot \overline{4} = \overline{12} = \overline{0}.
2
2 puncte
ord(4)=3\text{ord}(\overline{4}) = 3 (cel mai mic n>0n > 0 cu n4=0n \cdot \overline{4} = \overline{0}).
3
1 punct
Subgrupul generat: 4={0,4,8}\langle \overline{4} \rangle = \{\overline{0}, \overline{4}, \overline{8}\}. Are ordinul 3, care divide 1212 (conform teoremei lui Lagrange). ✓

Greșeli frecvente la problemele cu grupuri

Verific doar 2-3 axiome și concluzionez că e grup
Trebuie verificate TOATE cele 4 axiome: G1, G2, G3, G4 (plus G5 dacă se cere abelian)
La Bacalaureat, fiecare axiomă valorează puncte separate. Omiterea oricăreia înseamnă pierdere de puncte, chiar dacă celelalte sunt corecte.
Afirm elementul neutru fără a verifica ambele părți: ae=aa * e = a și ea=ae * a = a
Trebuie verificat atât ae=aa * e = a cât și ea=ae * a = a, mai ales dacă legea nu este comutativă
Dacă legea este comutativă (demonstrată anterior), verificarea dintr-o singură parte este suficientă. Altfel, sunt obligatorii ambele.
Nu verific că elementul neutru aparține mulțimii AA
După ce găsesc ee, trebuie să verific explicit eAe \in A
De exemplu, dacă A={xRx>0}A = \{x \in \mathbb{R} \mid x > 0\} și găsesc e=0e = 0, atunci eAe \notin A și G3 nu este satisfăcută.
(Z,)(\mathbb{Z}, \cdot) este grup, pentru că are element neutru 11
(Z,)(\mathbb{Z}, \cdot) NU este grup: elementul 22 nu are invers în Z\mathbb{Z}
Existența elementului neutru nu garantează structura de grup. Inversul lui 22 ar trebui să fie 12Z\frac{1}{2} \notin \mathbb{Z}.
Scriu (ab)1=a1b1(a * b)^{-1} = a^{-1} * b^{-1}
(ab)1=b1a1(a * b)^{-1} = b^{-1} * a^{-1} — ordinea se inversează!
Similar cu matricele: (AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}. Ordinea se păstrează doar în grupuri abeliene.
Confund subgrup cu submulțime
O submulțime HGH \subseteq G este subgrup doar dacă (H,)(H, *) este ea însăși grup
{1,2,3}Z\{1, 2, 3\} \subset \mathbb{Z} nu este subgrup al lui (Z,+)(\mathbb{Z}, +) deoarece 2+3=5{1,2,3}2 + 3 = 5 \notin \{1,2,3\} (nu e închisă).

Strategii pentru problemele cu grupuri la Bacalaureat

Structura tipică la Subiectul II: (a) Demonstrați că (A,)(A,*) este grup abelian (7-8p). (b) Găsiți un subgrup propriu sau determinați inversul unui element concret (2-3p). (c) Demonstrați că o funcție este morfism / găsiți nucleul (5p).
Checklist de rezolvare — în această ordine:
  1. G1 (Internă): arăt abAa*b \in A verificând condițiile pe AA
  2. G2 (Asociativitate): calculez separat (ab)c(a*b)*c și a(bc)a*(b*c), apoi le compar
  3. G3 (Neutru): rezolv ae=aa*e=a, verific eAe \in A și ambele părți
  4. G4 (Invers): rezolv ax=ea*x=e, verific xAx \in A
  5. G5 (dacă se cere abelian): compar aba*b cu bab*a
Asociativitatea — cel mai lung calcul: Dezvoltă complet (ab)c(a*b)*c și a(bc)a*(b*c) separat. Scrie fiecare pas pe linie nouă. La BAC, examinatorii verifică dacă ai făcut calculul efectiv, nu doar „se verifică prin calcul direct".
Truc pentru legile de forma ab=a+b+kaba * b = a + b + kab: Scrie ab=(1+ka)(1+kb)/k1/ka * b = (1+ka)(1+kb)/k - 1/k sau factorisează prin 1+ka1 + ka. Asociativitatea devine evidentă prin substituția φ(a)=1+ka\varphi(a) = 1 + ka, care transformă legea într-o înmulțire.
Timp recomandat: 20-25 de minute pentru o problemă completă de grup. Începe cu G1 și G2 (cele mai grele), apoi G3-G5 sunt de obicei calcule scurte.

Formulele esențiale pentru grupuri — sinteză

G1 — Internă (închidere)
a,bG:abG\forall a, b \in G: a * b \in G
Rezultatul operației rămâne în mulțime.
G2 — Asociativitate
(ab)c=a(bc)(a * b) * c = a * (b * c)
Ordinea grupării operațiilor nu contează.
G3 — Element neutru
eG:ae=ea=a,aG\exists\, e \in G: a * e = e * a = a, \quad \forall a \in G
Elementul neutru este unic.
G4 — Element invers
aG,  a1G:aa1=e și a1a=e\forall a \in G,\; \exists\, a^{-1} \in G: a * a^{-1} = e \text{ și } a^{-1} * a = e
Inversul fiecărui element există și este unic.
G5 — Comutativitate (grup abelian)
ab=ba,a,bGa * b = b * a, \quad \forall a, b \in G
Axiomă suplimentară, necesară doar pentru grup abelian.
Inversul produsului
(ab)1=b1a1(a * b)^{-1} = b^{-1} * a^{-1}
Atenție: ordinea se inversează (ca la matrici).
Criteriu de subgrup (compact)
HH \neq \emptyset și a,bH:ab1H\forall a,b \in H: a * b^{-1} \in H
Condiție necesară și suficientă pentru subgrup.
Teorema lui Lagrange
H|H| divide G|G| (pentru GG finit)
Ordinul oricărui subgrup divide ordinul grupului.
Condiția de morfism
f(ab)=f(a)f(b),a,bGf(a * b) = f(a) \circ f(b), \quad \forall a, b \in G
Implică automat f(eG)=eHf(e_G)=e_H și f(a1)=[f(a)]1f(a^{-1})=[f(a)]^{-1}.
Nucleul morfismului
kerf={aGf(a)=eH}\ker f = \{a \in G \mid f(a) = e_H\}
ff injectiv kerf={eG}\Leftrightarrow \ker f = \{e_G\}.
57 zile până la BAC

Pregătește-te la Grupuri cu AI

Rezolvă probleme pe hârtie, fotografiază și primește feedback instant de la AI — ca de la un profesor.

Vreau evaluare AI pe soluția mea

50 credite gratuite la înregistrare. Fără card, fără obligații.