Test: proprietățile legilor de compoziție
Disciplina: Matematică · Clasa a XII-a · Unitatea: Legi de compoziție
Exerciții
Partea I – Recunoașterea proprietăților
Exercițiul 1 (6 puncte)
Alege litera corespunzătoare răspunsului corect (câte 2 puncte):
a) Forma factorizată a legii este: A. ; B. ; C. ; D. .
b) Elementul neutru al legii , definită pe , este: A. ; B. ; C. ; D. .
c) Într-un monoid , dacă și sunt simetrizabile, atunci simetricul lui este: A. ; B. ; C. ; D. .
Exercițiul 2 (6 puncte)
Adu la forma fiecare dintre legile de mai jos, dacă acest lucru este posibil; când nu este, arată care condiție nu se verifică (câte 2 puncte): a) ; b) ; c) .
Exercițiul 3 (6 puncte)
Stabilește dacă fiecare lege este comutativă pe și justifică (câte 2 puncte): a) ; b) ; c) .
Exercițiul 4 (6 puncte)
Determină elementul neutru al fiecărei legi, dacă există (câte 2 puncte): a) , pe ; b) , pe , apoi pe ; c) , pe .
Exercițiul 5 (6 puncte)
Pe mulțimea se consideră legea de compoziție dată de tabla:
Răspunde, precizând de fiecare dată unde ai citit răspunsul (câte 2 puncte): a) Este legea comutativă? b) Care este elementul neutru? c) Care sunt elementele simetrizabile și care este simetricul fiecăruia?
Partea a II-a – Demonstrații și structuri
Exercițiul 6 (8 puncte)
a) Demonstrează că legea , definită pe , este asociativă, folosind forma factorizată. (5 p) b) Arată, cu un contraexemplu complet, că legea , definită pe , nu este asociativă. (3 p)
Exercițiul 7 (8 puncte)
Pe se consideră legea . a) Determină mulțimea elementelor simetrizabile și formula simetricului lui . (5 p) b) Calculează simetricul lui și verifică rezultatul. (3 p)
Exercițiul 8 (8 puncte)
Fie , iar și două submulțimi ale lui . Pe mulțimea părților lui se consideră diferența simetrică . a) Calculează și numărul elementelor mulțimii . (2 p) b) Arată că este monoid comutativ și precizează elementul neutru. (3 p) c) Determină și rezolvă ecuația . (3 p)
Exercițiul 9 (8 puncte)
Pe se consideră aceeași lege . a) Demonstrează prin inducție că, notând cu compunerea lui cu el însuși de ori, are loc , pentru orice . (4 p) b) Calculează . (2 p) c) Calculează . (2 p)
Partea a III-a – Sinteză și item de tip examen
Exercițiul 10 (9 puncte)
Fie , cu , și mulțimea a) Arată că și că este parte stabilă a lui în raport cu înmulțirea matricelor. (3 p) b) Arată că este monoid comutativ și determină elementul neutru. (3 p) c) Determină și simetricul matricei , apoi calculează . (3 p)
Exercițiul 11 (9 puncte)
Pentru fiecare structură de mai jos, precizează dacă este semigrup, monoid sau niciuna dintre ele, cu justificare (câte 3 puncte): a) ; b) , unde ; c) , unde .
Exercițiul 12 (10 puncte)
(Item de tip Bacalaureat M1, Subiectul al II-lea.) Pe mulțimea numerelor reale se consideră legea de compoziție . a) Arătați că pentru orice numere reale și și deduceți că legea este asociativă și comutativă. (3 p) b) Determinați elementul neutru al legii și arătați că intervalul este parte stabilă a lui , care conține elementul neutru. (3 p) c) Determinați mulțimea elementelor simetrizabile din și simetricul unui element , apoi calculați . (4 p)
Barem și răspunsuri
Punctaj total: 90 p din itemi + 10 p din oficiu = 100 p.
Exercițiul 1. (6 p)
a) B. (2 p) Coeficientul lui este , deci , iar .
b) C. (2 p) Din rezultă ; verificare: .
c) B. (2 p) Regula corectă este , cu ordinea inversată; varianta A este adevărată numai când și comută.
Exercițiul 2. (6 p) — câte 2 puncte.
a) , deci ; criteriul cere , iar constanta este chiar ✓ (1 p). Prin urmare (1 p).
b) , deci ; criteriul cere , iar constanta este ✓ (1 p). Prin urmare (1 p).
c) , deci ; criteriul cere , dar constanta legii este , deci condiția nu este îndeplinită și legea nu are forma cerută (1,5 p). Se poate scrie doar (0,5 p).
Exercițiul 3. (6 p) — câte 2 puncte (0,5 p verdictul, 1,5 p justificarea).
a) Da (0,5 p). Formula este simetrică în și , pentru că și ; deci pentru orice numere reale (1,5 p).
b) Nu (0,5 p). Contraexemplu: , iar ; cum , legea nu este comutativă (1,5 p).
c) Da (0,5 p). Schimbând literele obținem , folosind comutativitatea înmulțirii și a adunării numerelor reale (1,5 p).
Exercițiul 4. (6 p) — câte 2 puncte.
a) Din rezultă , soluție care nu depinde de și este număr real (1,5 p). Verificare: ✓ (0,5 p).
b) Din pentru orice obținem , deci (1 p). Pe : este număr rațional, deci elementul neutru există și este (0,5 p). Pe : singurul candidat, , nu este număr întreg, deci legea nu are element neutru (0,5 p).
c) Cu forma factorizată , ecuația devine , de unde, pentru , , adică (1,5 p). Cazul se verifică separat: ✓. Legea fiind comutativă, și (0,5 p).
Exercițiul 5. (6 p) — câte 2 puncte.
a) Da, legea este comutativă (0,5 p): perechile de căsuțe oglindite față de diagonala principală coincid — , , (1,5 p).
b) Elementul neutru este (0,5 p): linia lui este , adică antetul de sus, iar coloana lui este , adică antetul din stânga (1,5 p).
c) Căutăm în interiorul tablei: apare pe linia lui (coloana lui ) și pe linia lui (coloana lui ); pe liniile lui și nu apare (1 p). Prin urmare elementele simetrizabile sunt și , cu și , iar și nu sunt simetrizabile (1 p).
Exercițiul 6. (8 p)
a) (5 p) Scriem legea factorizat: , deci (1 p). Calculăm membrul stâng al asociativității: (1,5 p). Calculăm membrul drept: (1,5 p). Cele două expresii coincid pentru orice , deci și legea este asociativă (1 p).
b) (3 p) Alegem tripletul , , (0,5 p). Atunci , deci (1 p); pe de altă parte , deci (1 p). Cum , legea nu este asociativă (0,5 p).
Exercițiul 7. (8 p)
a) (5 p) Elementul neutru al legii este (itemul 4c) (0,5 p). Ecuația simetricului, , devine (1,5 p). Pentru egalitatea devine , imposibil, deci nu este simetrizabil (1 p). Pentru obținem (1,5 p), număr real, deci mulțimea elementelor simetrizabile este (0,5 p).
b) (3 p) Pentru avem , deci (2 p). Verificare: ✓ (1 p)
Exercițiul 8. (8 p)
a) (2 p) Elementul aparține ambelor mulțimi, deci nu intră; rămân , (numai în ) și , (numai în ), adică (1 p). Cum are elemente, (1 p).
b) (3 p) Diferența simetrică este lege de compoziție pe , pentru că (0,5 p). Ea este asociativă: trecând la funcții caracteristice, devine adunare modulo , care este asociativă (1 p). Este comutativă, pentru că un element aparține lui exact când aparține uneia singure dintre cele două mulțimi, iar condiția nu deosebește între ele (0,5 p). Elementul neutru este , deoarece pentru orice (1 p).
c) (3 p) Pentru orice avem , deci fiecare element este simetrizabil și este propriul său simetric; prin urmare (1,5 p). Compunând ambii membri ai ecuației cu obținem , adică , deci (1 p). Verificare: ✓ (0,5 p)
Exercițiul 9. (8 p)
a) (4 p) Folosim forma factorizată . Pentru egalitatea devine , adevărată (1 p). Presupunem și compunem încă o dată cu (0,5 p): (2 p). Conform principiului inducției matematice, formula este adevărată pentru orice (0,5 p).
b) (2 p) (1,5 p). Verificare pas cu pas: , apoi ✓ (0,5 p)
c) (2 p) Legea fiind asociativă, compunerea se scrie fără paranteze și se calculează cu formula produsului (0,5 p): Factorul nul, adus de elementul , face produsul zero (1,5 p).
Exercițiul 10. (9 p)
a) (3 p) Înmulțim două matrice din , cu parametri diferiți: (2 p). Cum , rezultă , deci și este parte stabilă (1 p).
b) (3 p) Asociativitatea se moștenește de la înmulțirea matricelor, care este asociativă pe ; nu se reverifică (1 p). Comutativitatea rezultă din punctul a): (0,5 p). Elementul neutru: din obținem pentru orice , deci și (1,5 p). Prin urmare este monoid comutativ.
c) (3 p) Din obținem , deci , număr real nenul pentru orice (1,5 p). Prin urmare simetricul lui este , iar : toate elementele sunt simetrizabile (0,5 p). În sfârșit, și (1 p).
Exercițiul 11. (9 p) — câte 3 puncte (1 p încadrarea, 2 p justificarea).
a) Monoid (chiar monoid comutativ) (1 p). Produsul a două numere naturale nenule este natural nenul, deci este parte stabilă; înmulțirea numerelor este asociativă și comutativă, iar satisface pentru orice , deci (2 p).
b) Niciuna — nu este nici măcar semigrup (1 p). Legea este bine definită pe (expresia este un număr întreg pentru orice întregi), dar nu este asociativă: , în timp ce , iar (2 p).
c) Semigrup care nu este monoid (1 p). Produsul este multiplu de , deci este parte stabilă, iar înmulțirea este asociativă: avem semigrup (1 p). Dacă ar exista un element neutru , din ar rezulta , care nu este multiplu de ; deci nu există element neutru (1 p).
Exercițiul 12. (10 p)
a) (3 p) Desfacem paranteza din membrul drept (0,5 p): (1 p) Din rezultă că ambii membri ai asociativității sunt egali cu , deci legea este asociativă (1 p); iar produsul nu se schimbă la inversarea factorilor, deci legea este comutativă (0,5 p).
b) (3 p) Din obținem , de unde, pentru , , adică ; cazul se verifică: ✓ (1,5 p). Fie acum ; atunci și , deci și , adică intervalul este parte stabilă (1 p). Cum , elementul neutru aparține intervalului (0,5 p).
c) (4 p) Ecuația simetricului este , adică (1 p). Pentru ea devine , imposibil, deci nu este simetrizabil; pentru obținem deci (1,5 p). Pentru compunerea cerută folosim asociativitatea și formula produsului (0,5 p): (1 p) Verificare pas cu pas: , apoi , apoi ✓
Pentru părinți și profesori
Acest test acoperă miezul unității: legile date prin formule, cele patru proprietăți fundamentale și primele două structuri algebrice ale anului. Sunt evaluate cinci lucruri. Primul: forma factorizată , cu criteriul de recunoaștere, din care se citesc apoi aproape toate celelalte răspunsuri. Al doilea: asociativitatea — demonstrată cu litere, niciodată pe numere alese convenabil, și infirmată cu un singur triplet complet calculat. Al treilea: comutativitatea, cu criteriul simetriei formulei și cu citirea ei ca simetrie a tablei față de diagonala principală. Al patrulea: elementul neutru (determinat din ecuația , cu cele două verificări obligatorii — să nu depindă de și să aparțină mulțimii) și elementele simetrizabile, cu formula simetricului și cu numirea explicită a elementului exclus. Al cincilea: încadrarea unei structuri în ierarhia semigrup – monoid și mulțimea a elementelor simetrizabile. Testul cere și proprietățile pe mulțimi care nu sunt de numere: mulțimea părților unei mulțimi cu diferența simetrică și o familie de matrice de ordinul al doilea.
- Punctaj total: 100 de puncte (90 de puncte din itemi + 10 puncte din oficiu).
- Timp recomandat: 50 de minute (o oră de curs); la itemii cu justificare se cer toate etapele scrise, nu doar rezultatul final.
- Cum se aplică: elevul lucrează individual, pe foaie, fără calculator. Se depunctează: demonstrațiile de asociativitate făcute pe exemple numerice; contraexemplele fără ambele calcule scrise; elementul neutru determinat fără verificarea apartenenței la mulțime; simetricul scris fără precizarea valorilor pentru care formula are sens; notarea simetricului cu la o lege oarecare, în locul notației corecte ; folosirea regulii în locul celei corecte, .
- Interpretare: 90–100 p = foarte bine; 75–89 p = bine; 60–74 p = satisfăcător; sub 60 p = se recomandă reluarea lecțiilor unității, cu accent pe forma factorizată și pe rețeta în trei pași a elementului neutru.
- Formule de reținut: legea se scrie sub forma factorizată exact atunci când și ; în acest caz legea este asociativă, este comutativă, are elementul neutru Compunerea repetată dă , iar . Un semigrup este o mulțime nevidă cu o lege asociativă; un monoid este un semigrup cu element neutru; mulțimea elementelor simetrizabile ale monoidului se notează , conține întotdeauna pe și este parte stabilă. Într-un monoid, simetricul este unic, și , cu ordinea inversată.
Notă: în barem, cuvântul „itemul" este folosit ca termen de evaluare; la clasă, în vorbirea curentă, spunem „exercițiul".
