如何從數學上證明微信群不是一個群?

群裡發送違法消息,群主也要連坐?過去幾個月裡的幾條法律新聞引發了許多微信群的焦慮。不說具體判決,這原則本身似乎有問題:群主不一定真的擔負了管理職責,似乎也沒有擔負這一職責的法律義務,倘若真是無條件連坐,那顯然不合情也不合理。於是很多群裡立刻開發出瞭如何規避這一責任的腦洞。

但其實有一招釜底抽薪的辦法:我們可以從數學上證明,這個所謂的微信群,根本就不是一個真正群,自然也談不上什麼群成員和群主了。

什麼是群(Group)?

雖然群看起來好像只是個人畜無害的漢字,但是——surprise!——它擁有一個嚴格的數學定義,還有一個很大的來頭。

怎樣的來頭?它的發明人是埃瓦里斯特·伽羅瓦,對,就是那個伽羅瓦。12歲前在家自學,14歲開始厭倦其他學科、只對數學感興趣,15歲開始讀拉格朗日的論文,17歲發佈第一篇論文,同年試圖考取巴黎綜合理工學院並被拒(傳說他在面試時跳過太多的推理步驟而令考官困惑,最後他無法忍受考官的慢節奏,一怒之下抓起擦黑板的抹布擲向考官並直接命中),18歲因發表批評校長的公開信被巴黎高等師範學院開除,19歲因參與政治活動而被多次逮捕,20歲參加決鬥(可能是因為戀愛)並被擊中腹部喪命。

如何從數學上證明微信群不是一個群?

那個伽羅瓦的畫像。

怎樣的定義呢?要嚴格表述起來會很煩,但基本原理倒是簡單:首先你要有一堆東西(集合),然後你把其中的任意兩個按照某種方式放在一起(運算),都能得到一個結果。一個集合,加上一個二元的運算,就這些了。

舉個例子。我們天天都和一種特別常見的群打交道,數學家給它起了個名字叫做“整數加法群”:整數,就是我們有的那堆東西(集合);加法,就是我們把這些東西放在一起的方式(運算)。試一下,隨便找兩個整數,都一定可以做加法,都一定有一個結果。

那麼……

一.如果微信群是真的群

微信群的“集合”,看起來就是群成員的集合了;一個個的元素就是一個個的人。它需要一個二元運算,不妨稱這個二元運算為“互動”。按照剛才的命名法,這就是一個“微信成員互動群”,任意兩個群成員放在一起都必須能夠互動(請勿過度聯想)。

到此為此還好,但是:

群的運算有講究

雖說只要有了集合和運算就能建群,但是這個運算也不是隨便什麼運算都能勝任的。具體地說,這個運算要滿足四大“群公理”:封閉性、結合律、單位元和逆元。

  • 封閉性:不管你拿出群裡的哪兩個成員,運算過後得到的一定還是群成員,不可能跑出群外面去。比如,隨便兩個整數相加,獲得的必定還是整數。
  • 結合律:如果你要對三個成員進行運算,那麼先算哪兩個都無所謂,結果一樣。比如,(1+2)+3 = 1+(2+3)。
  • 單位元:一定有一個成員,它在和另一個成員運算之後不改變後者。比如整數加法群的0:0+5=5+0=5。
  • 逆元:任何成員都一定有自己的“逆”——它和它的逆元運算之後能夠變回單位元。比如整數加法群裡,對於7有-7:7+(-7)=(-7)+7 = 0。

所以:

二.如果微信群是真的群

將四大群公理套用在微信群上,會獲得如下結果:

封閉性:任意兩個群成員進行互動,得到的結果一定還是一個群成員。

結合律:三個成員互動時,哪二者先是無關緊要的。(互動是一個二元運算,所以三個不能同時互動。)

單位元:一定有一個群成員,不妨稱之為群主,當群主和任何成員互動時結果依然是那個成員。(可以證明,一個微信群有且僅有一個群主。)

逆元:對任何一個群成員,都一定有另外一個成員,二者互動的結果是群主。

在這裡,不妨設定每一次兩個成員“互動”的結局都一定是@到了某一個確定的群成員。如果沒有@,或者同樣兩人@的結果不是每次都一樣,那就不是我們關心的這種互動。

如何從數學上證明微信群不是一個群?

群內還可以再有結構

在一個群裡,有些元素自己會組成一個小圈子。它們並非不與外界交流,但無疑它們喜歡抱團:小圈子內的元素經過運算得到的結果仍然在這個小圈子裡,而它們的逆元也在小圈子裡。簡而言之,這個小圈子對於原來的運算也組成一個群。這樣的小圈子,叫做群的子群。

有些子群比別的子群更特別,它們不僅自己是一個群,如果“除”原來的群,得到的也是一個群。這樣的子群叫做正規子群,而它們對原來的群作“除法”得到的群叫商群。這種除法和數字運算中的除法並不完全一樣,可以看作劃分小圈子的一種方式。

三.如果微信群是真的群

微信群不一定都有子群。但是假如它有,那麼就會出現這樣的情況:群裡有一小圈成員,他們可以和其他人互動,但圈內人的互動總是最終會@到一個圈內人。

既然這個小圈子滿足群的定義,那麼他們完全可以獨立出來另立一個新群。事實上他們也許已經這樣做了而你作為圈外人還不知道!哈哈哈。

一個微信群還會加人和踢人。但是因為群的兩大要素之一就是給定的集合,所以每一次加人和踢人,這個群實際上都變成了一個新的群。在這個意義上,你不能兩次踏入同一個微信群。

四.為什麼弄個群都要有這麼多講究?

作為一個數學概念,“群”是被髮明出來的,並沒有任何外界強制。數學家也不傻,發明並如此定義它的目的,一定是因為它有用。

確實如此,群是現代數學中最有用的基本概念之一。伽羅瓦當時取下“群”(groupe)這個名詞時,主要考慮的是五次以上方程解法的問題,但是今天它的用場遠遠超越了那一個領域,因為後來我們意識到,群論的最大用途是關於“對稱性”的研究;所有具有對稱性的東西,群論都能派上用場。

而對稱在這裡的含義甚至比日常語言更廣。對數學家而言,只要在發生了變換之後有什麼東西還維持不變,那它就是對稱的。幾何體當然可以是對稱的:一個圓左右翻轉後還是圓,旋轉180度後還是圓,所以它在這兩種變換下是對稱的。但對稱性也適用於非幾何體的抽象概念:比如f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2這個函數,無論怎麼調換x、y、z的位置,都是不變的;或者sin(t),用t+2π代替t,也是不變的。它們也都具有相應的對稱性。

而對稱性最為神奇的一點是,它竟然和物理世界中的守恆一一對應。比如物理學定律是不因時間的流逝而改變的,換言之它在時間變換下對稱;而這個對稱性可以直接推導出物理學中最重要的定律之一:能量守恆。物理學定律又不隨著空間的位置而改變,這個對稱性又能推出另一條同樣關鍵的定律:動量守恆。每一個物理上的守恆量必然伴隨著數學上的對稱性,這是二十世紀最偉大的數學家之一艾米·諾特(Emmy Noether)女士發現的。

如何從數學上證明微信群不是一個群?

艾米·諾特是抽象代數領域的大師;她提出的諾特定理是愛因斯坦廣義相對論的數學基礎之一。

更進一步說,現代粒子物理學是完全依賴於群論而存在的。種類繁多的新粒子之所以能夠被整齊歸入標準模型,都是因為對稱性研究的功勞;事實上,相當多的新粒子是先被群論預測出來,再被實驗發現的。

化學和生物學也是離不開群論的——分子和晶體裡有太多的對稱性了,沒有群論就沒法處理它們的結構和行為。

如何從數學上證明微信群不是一個群?

就連魔方也是一個群:魔方中的小方塊可以看作群眾的元素,轉動魔方相當於運算,魔方公式也可以由群論得出。

總結——如果微信群是真的群

可以說,每一個具體的群都一直存在於世界中,只等人們發現它。所以,你所在的這個微信群也許已經是群了!快對照一下要求列表吧:

·它要有一堆給定的成員;

·它要有一個給定的二元運算(比如最終以@一個確定成員為結局的兩人聊天)

·它要有封閉性(不能@到群外的人)

·它要有結合律(互動順序無所謂)

·它要有單位元(群主和任何人互動一定以@此人為結局)

·它要有逆元(對於任何人,都有一個成員,兩人互動一定會吵起來(霧)並@群主進行裁決)

如果滿足這些條件,恭喜你,一個隱藏而不為人知的群被你發現了!如果不滿足這些條件,同樣恭喜你,我們已經在數學上證明這根本就不是一個群了,還能怎樣?


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