Пакет LAGUNA 3.0 расширяет возможности GAP 4.3 для работы с групповыми кольцами. Название пакета означает "Lie AlGebras and UNits of group Algebras". Кроме определения некоторых общих характеристик групповых колец и их элементов, LAGUNA позволяет исследовать Лиевские свойства группового кольца конечной группы и вычислять нормированную мультипликативную группу модулярной групповой алгебры конечной р-группы над полем из р элементов. Домашняя страница пакета LAGUNA c дальнейшей информацией о нем, документацией и дистрибутивом находится по адресу http://ukrgap.exponenta.ru/laguna.htm.

Для демонстрации возможностей пакета LAGUNA выполним некоторые вычисления в групповой алгебре группы диэдра порядка 16 над полем из двух элементов. Вначале мы создадим эту групповую алгебру:

gap> K := GF( 2 );
GF(2)
gap> G := DihedralGroup( 16 );
<pc group of size 16 with 4 generators>
gap> KG := GroupRing( K, G );
<algebra-with-one over GF(2), with 4 generators>

Некоторые свойства и атрибуты групповой алгебры KG могут быть получены сразу же, так как являются прямым следствием ее определения:

gap> IsGroupAlgebra( KG );
true
gap> IsPModularGroupAlgebra( KG );
true
gap> IsFModularGroupAlgebra( KG );
true
gap> UnderlyingGroup( KG );
<pc group of size 16 with 4 generators>
gap> LeftActingDomain( KG );
GF(2)

Так как KG является групповой алгеброй, то информация, хранимая в атрибуте LeftActingDomain, также может быть получена двумя другими способами:

gap> UnderlyingRing( KG );
GF(2)
gap> UnderlyingField( KG );
GF(2)

Построим некоторый элемент данной групповой алгебры. Например, возьмем минимальную систему порождающих элементов группы G и найдем соответствующие им элементы в KG:

gap> MinimalGeneratingSet( G );
[ f1, f2 ]
gap> l := List( last, g -> g^Embedding( G, KG ) );
[ (Z(2)^0)*f1, (Z(2)^0)*f2 ]

Теперь зададим элемент x следующим образом:

gap> a :=l[1]; b:=l[2]; # a и b - образы порождающих элементов группы в KG
(Z(2)^0)*f1
(Z(2)^0)*f2
gap> e := One( KG );    # для удобства, обозначим нейтральный элемент через e
(Z(2)^0)*<identity> of ...
gap> x := ( e + a ) * ( e + b );
(Z(2)^0)*<identity> of ...+(Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f1*f2 

Исследуем некоторые основные свойства этого элемента:

gap> Support( x );
[ <identity> of ..., f1, f2, f1*f2 ]
gap> CoefficientsBySupport( x );
[ Z(2)^0, Z(2)^0, Z(2)^0, Z(2)^0 ]
gap> Length( x );
4
gap> TraceOfMagmaRingElement( x );
Z(2)^0

Мы можем также вычислить сумму коэффициентов элемента x:

gap> Augmentation( x );
0*Z(2)
gap> IsUnit( KG, x );
false

Так как сумма коэффициентов равна нулю, то x не является обратимым, но 1+x - обратим. Это также легко проверить:

gap> y := e + x;
(Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f1*f2
gap> IsUnit( KG, y );
true 

Обратный элемент к 1+x вычисляется очень легко:

gap> y^-1;
(Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^0)*f1*f3+(
Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^0)*f2*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f4+(Z(2)^0)*f2*f3*f4+(Z(2)^
0)*f1*f2*f3*f4

Проверим, что получен в действительности обратный элемент:

gap> y * y^-1;
(Z(2)^0)*<identity> of ...

Мы можем также проверить, является ли y симметричным (т.е., инвариантным относительно классической инволюции), а также является ли y унитарным (т.е., переводится классической инволюцией в элемент, обратный к y). В данном случае ни то, ни другое условие не выполняется:

gap> Involution( y );
(Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^0)*f2*f3*f4
gap> y = Involution( y );
false
gap> y * Involution( y );
(Z(2)^0)*<identity> of ...+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f2*f3*f4 

Теперь вычислим некоторые важные идеалы групповой алгебры KG. Сначала получим фундаментальный идеал, который совпадает с множеством элементов, у которых сумма коэффициентов равна нулю. В нашем случае он совпадает с радикалом групповой алгебры:

gap> AugmentationIdeal( KG );
<two-sided ideal in <algebra-with-one of dimension 16 over GF(2)>,
  (dimension 15)>
gap> AugmentationIdeal( KG ) = RadicalOfAlgebra( KG );
true

Хорошо известно, что в данном случае фундаментальный идеал является нильпотентным идеалом. Используя теорию размерностных подгрупп, мы можем вычислить его индекс нильпотентности без непосредственного вычисления степеней фундаментального идела:

gap> AugmentationIdealNilpotencyIndex( KG );
9

С другой стороны, мы можем вычислить и степени фундаментального идела:

gap> AugmentationIdealPowerSeries( KG );
[ <algebra of dimension 15 over GF(2)>, <algebra of dimension 13 over GF(2)>,
  <algebra of dimension 11 over GF(2)>, <algebra of dimension 9 over GF(2)>,
  <algebra of dimension 7 over GF(2)>, <algebra of dimension 5 over GF(2)>,
  <algebra of dimension 3 over GF(2)>, <algebra of dimension 1 over GF(2)>,
  <algebra over GF(2)> ]

Как видно, длина данного списка совпадает с полученным ранее индексом нильпотентности.

Теперь покажем, как работать с мультипликативной группой групповой алгебры KG. Сначала вычислим нормированную мультипликативную группу, состоящую из элементов, у которых сумма коэффициентов равна единице. Эта группа может быть вычислена очень быстро, но дальнейшие вычисления в ней малоэффективны:

gap> V := NormalizedUnitGroup( KG );
<group of size 32768 with 15 generators>  

Для того, чтобы сделать возможными эффективные вычисления в нормированной мультипликативной группе, вычислим изоморфную ей рс-группу:

gap> W := PcNormalizedUnitGroup( KG );
<pc group of size 32768 with 15 generators>

В системе GAP имеется много мощных алгортмов для рс-групп, и теперь они все доступны нам для изучения структуры нормированной мультипликативной группы. Для того, чтобы иметь возможность интерпретировать их результаты в групповой алгебре, нужно установить изоморфизм между нормированной мультипликативной группой, порожденной элементами групповой алгебры, и ее рс-представлением.

Первый из изоморфизмов отображает NormalizedUnitGroup(KG) в ее рс-представление PcNormalizedUnitGroup(PC). Найдем с его помощью образы элементов группы G в W:

gap> t := NaturalBijectionToPcNormalizedUnitGroup( KG );
MappingByFunction( <group of size 32768 with 15 generators>, <pc group of size
32768 with 15 generators>, function( x ) ... end )
gap> List( AsList( G ), x -> ( x^Embedding( G, KG ) )^t );
[ <identity> of ..., f2, f1, f3, f7, f1*f2*f3, f2*f3, f2*f7, f1*f3, f1*f7, f3*f7,
  f1*f2*f7, f1*f2*f3*f7, f2*f3*f7, f1*f3*f7, f1*f2 ]  

Второй изоморфизм является обратным к предыдущему:

gap> f := NaturalBijectionToNormalizedUnitGroup( KG );
[ f1, f2, f3, f4, f5, f6, f7, f8, f9, f10, f11, f12, f13, f14, f15 ] ->
[ (Z(2)^0)*f2, (Z(2)^0)*f1, (Z(2)^0)*f3, (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f1*f2,
  (Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f2*f3, (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f1*f3,
  (Z(2)^0)*f4, (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^0)*f1*f3+(
    Z(2)^0)*f2*f3+(Z(2)^0)*f1*f2*f3, (Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f2*f4,
  (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f1*f4, (Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f3*f4,
  (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^
    0)*f2*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f4, (Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^
    0)*f2*f3+(Z(2)^0)*f2*f4+(Z(2)^0)*f3*f4+(Z(2)^0)*f2*f3*f4,
  (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f1*f3+(Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^
    0)*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f3*f4, (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(
    Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^0)*f1*f3+(Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^0)*f2*f3+(Z(2)^0)*f2*f4+(
    Z(2)^0)*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f3+(Z(2)^0)*f1*f2*f4+(Z(2)^0)*f1*f3*f4+(Z(2)^
    0)*f2*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f3*f4 ] 

В качестве примера вычислим классы сопряженных элементов группы W, а затем найдем представитель одного из классов в групповой алгебре KG:

gap> cc := ConjugacyClasses( W );;
gap> Length( cc );
848
gap> Representative( cc[ Length( cc ) ] );
f1*f2*f4*f6*f12*f15
gap> last^f;
(Z(2)^0)*<identity> of ...+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^0)*f1*f3+(
Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^0)*f2*f3+(Z(2)^0)*f2*f4+(Z(2)^0)*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f3+(Z(2)^
0)*f1*f3*f4  

Имея pc-представление нормированной мультипликативной группы, мы можем использовать всю мощь имеющихся в GAP методов для рс-групп. Например, очень быстро вычисляется ее нижний центральный ряд:

gap> LowerCentralSeries( W );
[ <pc group of size 32768 with 15 generators>,
  Group([ f3, f5*f8*f10*f12*f13*f14*f15, f6*f8*f12*f14*f15, f7, f9*f12, f10*f14,
      f11*f13, f13*f14, f14*f15 ]),
  Group([ f7, f9*f12, f10*f15, f11*f15, f13*f15, f14*f15 ]),
  Group([ f11*f15, f13*f15, f14*f15 ]), Group([ <identity> of ... ]) ] 

Допустим, необходимо найти минимальную систему порождающих элементов центра нормированной мультипликативной группы. Сначала мы произведем вычисления в рс-группе, а затем отобразим результат в групповую алгебру:

gap> C := Centre( W );
Group([ f3*f5*f13*f15, f7, f15, f13*f15, f14*f15, f11*f13*f14*f15 ])
gap> m := MinimalGeneratingSet( C );
[ f11, f13, f14, f15, f3*f5*f13*f15 ]
gap> List( m, g -> g^f );
[ (Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f3*f4, (Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(
    Z(2)^0)*f2*f3+(Z(2)^0)*f2*f4+(Z(2)^0)*f3*f4+(Z(2)^0)*f2*f3*f4,
  (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f1*f3+(Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^
    0)*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f3*f4, (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f2+(Z(2)^0)*f3+(Z(2)^0)*f4+(
    Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^0)*f1*f3+(Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^0)*f2*f3+(Z(2)^0)*f2*f4+(
    Z(2)^0)*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f3+(Z(2)^0)*f1*f2*f4+(Z(2)^0)*f1*f3*f4+(Z(2)^
    0)*f2*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f3*f4, (Z(2)^0)*f1+(Z(2)^0)*f4+(Z(2)^0)*f1*f2+(Z(2)^
    0)*f1*f3+(Z(2)^0)*f1*f4+(Z(2)^0)*f2*f3+(Z(2)^0)*f2*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f3+(Z(2)^
    0)*f1*f2*f4+(Z(2)^0)*f1*f3*f4+(Z(2)^0)*f1*f2*f3*f4 ]   

Мы закончим демонстрацию пакета LAGUNA определением некоторых Лиевских свойств групповой алгебры KG, понятных из названия используемых в этом примере функций:

gap> L := LieAlgebra( KG );
<Lie algebra of dimension 16 over GF(2)>
gap> D := LieDerivedSubalgebra( L );
<Lie algebra of dimension 9 over GF(2)>
gap> LC := LieCentre( L );
<Lie algebra of dimension 7 over GF(2)>
gap> LieLowerNilpotencyIndex( KG );
5
gap> LieUpperNilpotencyIndex( KG );
5
gap> IsLieAbelian( L );
false
gap> IsLieSolvable( L );
true
gap> IsLieMetabelian( L );
false
gap> IsLieCentreByMetabelian( L );
true

Описание всех функций, используемых в данном примере, содержится в руководстве пользователя, которое является частью пакета, а также находится на домашней странице пакета LAGUNA по адресу http://ukrgap.exponenta.ru/laguna.htm.