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Conmutatividad

En matemáticas, la propiedad conmutativa o conmutatividad es una propiedad fundamental que tienen algunas operaciones según la cual el resultado de operar dos elementos no depende del orden en el que se toman. Esto se cumple en la adición y la multiplicación ordinarias: el orden de los sumandos no altera la suma, o el orden de los factores no altera el producto.

Ejemplo que muestra la conmutatividad de la suma: 3 + 2 = 2 + 3.

La conmutatividad de las operaciones elementales de sumar y multiplicar ya era conocida implícitamente desde la antigüedad, aunque no fue llamada así hasta principios del siglo XIX, época en que las matemáticas contemporáneas empezaban a formalizarse. Las sucesivas ampliaciones del concepto de número (números naturales, números enteros, números racionales, números reales) ampliaron el alcance de las operaciones de sumar y multiplicar, pero en todas ellas se preserva la conmutatividad. Esta propiedad también se satisface en muchas otras operaciones, como la suma de vectores, polinomios, matrices, funciones reales, etc., o el producto de polinomios o de funciones reales.

En contraposición a la adición y la multiplicación de números, la sustracción y la división no son operaciones conmutativas. Entre las operaciones no conmutativas cabe destacar también la composición de funciones, el producto de matrices y el producto vectorial.

A pesar de ser una propiedad aplicada básicamente a las operaciones matemáticas, la conmutatividad o la no conmutatividad son relevantes en otros campos cercanos como la lógica proposicional y algunas operaciones de teoría de conjuntos, y en algunas aplicaciones físicas tales como el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Fuera del ámbito científico, también se pueden encontrar ejemplos en la vida cotidiana, ya que la ejecución consecutiva de dos acciones puede tener un resultado diferente según el orden en que se ejecuten.

Definición

De hecho, la conmutatividad es un caso particular del concepto de función simétrica. En efecto, una operación binaria en M no es más que una aplicación μ: M × M   M, y afirmar que esta es simétrica, μ(x,y) = μ(y,x), es exactamente lo mismo que lo que requiere la propiedad conmutativa.

Dada una operación binaria   un conjunto M, se dice que dos elementos x, y de M conmutan (o que son permutables) cuando se cumple que x y = y x. Así pues, una operación es conmutativa cuando dos elementos cualesquiera conmutan.

Ejemplos básicos: adición y multiplicación de números

La importancia fundamental de la propiedad conmutativa radica en el hecho de que la adición y la multiplicación de números naturales, los números que permiten contar los conjuntos finitos, son conmutativas. Por ejemplo:

 
 

Expresado de manera general: para cualquier x, y de N:

 
 

La ampliación del sistema de los números naturales a otros sistemas numéricos: números enteros ( ), números racionales ( ), números reales ( ), y números complejos ( ), se hace extendiéndose las operaciones de adición y multiplicación, y de manera que estas siguen siendo conmutativas. Por ejemplo:

 

Esto no quiere decir que cualquier ampliación de un sistema numérico necesariamente vaya a respetar las propiedades previas. El ejemplo más importante de este hecho viene dado por el cuerpo de los cuaterniones H, que, al igual que el de los números complejos, también es una extensión del cuerpo de los números reales, pero con tres unidades imaginarias i, j, k en lugar de una. La multiplicación de H no es conmutativa,[1]​ ya que por ejemplo i·j = k, es diferente de j·i = -k.

En contraste con las operaciones de adición y multiplicación, las operaciones que las permiten invertir, sustracción y división, son claramente no conmutativas. Basta poner un par de ejemplos:

  • La substracción no es conmutativa, ya que 1-2   2-1.
  • La división no es conmutativa, ya que 1/2   2/1.

Nótese que para poder efectuar estos cálculos hay que trabajar en el sistema numérico apropiado: Z para poder restar, y Q para poder dividir por un número diferente de  0

Propiedades

Es importante destacar que para sacar provecho de la conmutatividad de una operación es necesario que ésta sea asociativa, ya que en este caso la composición de n elementos x1, …, xn se puede representar (sin paréntesis) como x1  xn. Por ejemplo[2][3]

  • (Teorema de conmutatividad) Si una operación es asociativa y conmutativa entonces la composición de n elementos se puede calcular en
para cualquier permutación (y 1,..., y n) de los índices (1,..., n ).

Si una operación   asociativa y dos elementos x, y conmutan, entonces también conmutan sus «potencias»:  , para cualquier m y n números naturales no nulos. En particular, todas las «potencias»   (n> 0) conmutan entre ellas.

  • Sea   operación asociativa en M. Si x conmuta con y y con z, entonces también conmuta con y z

Centro

Dado un conjunto M con una operación interna, el centro de M es el subconjunto formado por los elementos que conmutan con todos los demás; a veces se representa por Z(M). Afirmar que la operación es conmutativa significa que el centro de M es todo M.

Como consecuencia de la última de las propiedades anteriores, si la operación es asociativa entonces el centro de M es una parte estable para la operación (es decir, si dos elementos x, y pertenecen al centro entonces x   también pertenece.)

Estructuras algebraicas y conmutatividad

Una estructura algebraica viene dada por uno o varios conjuntos dotados de operaciones binarias u operaciones externas. En la definición de cada tipo de estructura algebraica impone que estas operaciones cumplan ciertas propiedades, entre las que puede estar la propiedad conmutativa. Cuando en alguna de estas operaciones no se impone que satisfaga la propiedad conmutativa pero sin embargo la satisface, entonces se añade el adjetivo conmutativo el nombre de la estructura en cuestión.[4]

  • Un magma es un conjunto dotado de una operación binaria. Cuando esta es conmutativa se llama magma conmutativo.
  • Un monoide es un conjunto dotado de una operación asociativa con elemento neutro. Si también es conmutativa, se dice monoide conmutativo. Por ejemplo, (N,+) y (N,·) son monoides conmutativos.
  • Un grupo es un conjunto dotado de una operación asociativa, con elemento neutro, y donde todo elemento es simetritzable. Si la operación es conmutativa se llama grupo conmutativo o grupo abeliano. Por ejemplo, (Z,+) es un grupo conmutativo.
  • Un anillo es un conjunto A dotado de dos operaciones binarias, habitualmente denotadas con notación aditiva (+) y notación multiplicativa (·). Respecto a la primera, (A,+) es un grupo conmutativo. Respecto a la segunda, (A,·) es un monoide. Además, la segunda debe ser distributiva respecto a la primera. Cuando la multiplicación es conmutativa, se llama anillo conmutativo. Por ejemplo, (Z,+, ·) es un anillo conmutativo.
  • Un cuerpo es un anillo donde 0≠1 y todo elemento no nulo es invertible. Un cuerpo se llama cuerpo conmutativo cuando la multiplicación es conmutativa. Por ejemplo, con la suma y producto habituales, Q, R y C son cuerpos conmutativos, mientras que el cuerpo de los cuaterniones H es un cuerpo no conmutativo. (Nótese, sin embargo, que algunos autores prefieren requerir la conmutatividad del producto dentro de la definición de cuerpo, en cuyo contexto los cuerpos no conmutativos son llamados anillos de división.)
  • Un espacio vectorial sobre un cuerpo K es un conjunto E dotado de una adddició respecto a la que (E,+) es un grupo conmutativo, y de una operación externa que permite multiplicar elementos de E (vectores) para elementos de K (escalares). Si en lugar de un cuerpo se considera un anillo la estructura resultante se llama módulo.
  • Dado un cuerpo conmutativo K (o, más generalmente, un anillo conmutativo), una K-álgebra es un conjunto A dotado de una estructura de K-espacio vectorial (K-módulo si K es un anillo) y de una segunda operación binaria, usualmente representada con notación multiplicativa. Cuando esta operación es conmutativa se llama K-álgebra conmutativa. Por ejemplo, C y H son R-álgebras asociativas y unitarias; la primera es conmutativa y la segunda no. Otro ejemplo de gran importancia es el conjunto de los polinomios en una variable con coeficientes en K, K[X], que con las operaciones habituales de suma y producto de polinomios y de producto por escalares es una K-álgebra asociativa, conmutativa y unitaria.

Hay, sin embargo, un caso especial en el que el adjetivo conmutativo no tiene exactamente el mismo significado que en los casos anteriores:

  • Una K-álgebra de Lie es una K-álgebra cuyo producto, usualmente denotado por (x,y)   [x,y], satisface las propiedades de ser alternado ([x,x] = 0 para todo x) y la identidad de Jacobi. Se dice que es una K-álgebra de Lie conmutativa cuando el producto de dos elementos cualesquiera es nulo: [x,y]=0.[5]

El adjetivo conmutativo aparece también en el nombre de una rama del álgebra: el álgebra conmutativa, que estudia los anillos conmutativos y sus módulos.

Historia

 
El primer uso conocido del término «conmutativo» fue en un artículo de servos en francés, en 1814.

Los primeros usos implícitos de la propiedad conmutativa se remontan a la antigüedad. Los egipcios utilizaban la propiedad conmutativa de la multiplicación para simplificar el cálculo de productos.[6][7]​ En la Antigua Grecia, Euclides asumió la propiedad conmutativa de la multiplicación en su obra Elementos.[8]​ Los usos formales de la propiedad conmutativa aparecieron a finales del siglo XVIII y los inicios del XIX, cuando los matemáticos empezaron a trabajar en el campo de la teoría de funciones.

La primera utilización documentada del adjetivo conmutativo fue en un artículo de François Servois de 1814 los Annales de Gergonne,[9][10][11]​ donde aparece la expresión en francés conmutativas entre ellas para describir, en la terminología actual, el hecho de que dos funciones conmutan. En 1841 Duncan Farquharson Gregory usó la expresión en inglés commutative law en su libro Examples of the processes of the differential and integral calculus[12]​ para referirse a la posibilidad de conmutar dos operaciones. Este uso fue recogido poco después, en 1844, por George Boole en un artículo en Philosophical Transactions.[13]

Otros usos y ejemplos de conmutatividad

Lógica proposicional

La propiedad conmutativa también es aplicable a algunas operaciones de la lógica proposicional. En lógica proposicional, la conmutación se encuentra en algunas reglas de sustitución:

 

y

 ,

donde " " es un símbolo metalógico que significa «en una demostración formal, se puede sustituir con...».

Conectivos de funciones de verdad

La conmutatividad es una propiedad de algunas conectivas lógicas de la lógica proposicional, que se expresa con equivalencias lógicas:

Conmutatividad de la conjunción

 

Conmutatividad de la disyunción

 

Conmutatividad de la implicación (también llamada ley de la permutación)

 

Conmutatividad de la equivalencia (también llamada ley conmutativa completa de la equivalencia)

 

Teoría de conjuntos

La unión y la intersección de conjuntos son operaciones conmutativas.[14]​ Aunque estas operaciones se pueden efectuar con familias arbitrarias de conjuntos, cuando se trata de dos conjuntos estas propiedades se expresan

 .

La suma y el producto de cardinales son operaciones conmutativas.[15]​ Si   i   son dos cardinales, entonces

 .

Esto implica en particular que la suma y el producto de números naturales (es decir, los cardinales de los conjuntos finitos) son conmutativas. La conmutatividad de la suma es consecuencia de la de la unión de conjuntos. La conmutatividad del producto es consecuencia de que un producto cartesiano de conjuntos tiene el mismo número de elementos independientemente de cómo se realice este producto.

En contraste con los cardinales, en general la suma y el producto de ordinales transfinitos no son conmutativas.[16][17]​ Por ejemplo, si ω es el ordinal de N, 1 + ω ≠ ω + 1.

Otras operaciones algebraicas

Además de la adición y multiplicación de números, hay otras operaciones análogas que son conmutativas. Entre ellas destaca la adición de vectores en un espacio vectorial cualquiera, como por ejemplo el espacio euclidiano Rn, l'espai Mm,n(R) de las matrices m×n con coeficientes reales, o el espacio de las funciones reales  (E,R) definidas en un conjunto cualquiera E. También se dice que el producto escalar de vectores en un espacio euclidiano es conmutativo, aunque, al no tratarse de una operación interna, sería más apropiado decir que es simétrico.

Vida cotidiana

En la vida cotidiana se pueden encontrar numerosos ejemplos de operaciones conmutativas, como por ejemplo la acción de ponerse los calcetines: no importa qué calcetín se ponga primero, de cualquiera de las dos maneras el resultado final (tener los dos calcetines puestos) es el mismo. Un ejemplo que utiliza la conmutatividad de la adición se observa cuando se paga un producto o servicio con monedas: independientemente del orden en que se den en el cajero, el total acumulado siempre es el mismo.

Ejemplos de operaciones no conmutativas

Teoría de conjuntos

La composición de funciones no es una operación conmutativa. Por ejemplo, consideremos las funciones f,g: RR definidas por f(x)=x+1, g(x)=x2. Entonces

    que es diferente de    .

Un caso particular interesante es el de las biyecciones de un conjunto en sí mismo, es decir, las permutaciones, que forman un grupo dicho grupo simétrico. Este no es conmutativo cuando el conjunto tiene 3 o más elementos.

Operaciones anticonmutativas

Un álgebra es anticonmutativa si y sólo si x*y = -(y*x) para todo x, y, donde * representa a un operador matemático binario.

Entre los ejemplo de operadores anticonmutativos se encuentran:

Otras operaciones algebraicas

En cuanto a operaciones no conmutativas en matemáticas, y aparte de la sustracción y división ya mencionadas, algunas operaciones binarias no conmutativas son las siguientes: La potenciación no es conmutativa, ya que, por ejemplo, 23 = 8 es diferente de 32 = 9. La multiplicación de matrices no es conmutativa; por ejemplo,

 , que es diferente de  .

Más generalmente, si n≥2, el anillo de las matrices cuadradas Mn(R) no es conmutativo, y su centro está formado por las matrices escalares, es decir, las matrices múltiples de la identidad.[18]

Vida cotidiana

En la vida del día a día se pueden encontrar multitud de ejemplos de operaciones no conmutativas. Un ejemplo sencillo podría ser el de lavar y planchar la ropa: las acciones de lavar y planchar (en este orden) producen un resultado diferente que planchar y luego lavar. Otro ejemplo es la concatenación de textos, es decir, la acción de juntar cadenas de caracteres. No es lo mismo escribir LA y luego CA (LACA) que escribir primero CA y luego LA (CALA). Finalmente, un último ejemplo: los movimientos del cubo de Rubik no conmutan (de hecho, todos ellos forman un grupo no conmutativo).

Conmutador

El conmutador da una indicación de la medida en que una cierta operación binaria no consigue ser conmutativa. Para poder definirlo, hay una cierta estructura adicional, ya sea que la operación es la de un grupo, o bien que sea la multiplicación en un anillo o álgebra.

En un grupo

En un grupo, el conmutador de dos elementos x e y es el elemento:

 

(También se puede definir con otro convenio, invirtiendo las segundas x e y en lugar de las primeras.) Está claro que [x,y] = e (elemento neutro del grupo) si x e y conmutan. Un grupo es conmutativo sii todos los conmutadores son el elemento neutro.

El conjunto de los conmutadores de un grupo G no es por lo general un subgrupo, pero genera un subgrupo normal llamado subgrupo de los conmutadores o subgrupo derivado. El cociente G / D de G por su subgrupo derivado es un grupo conmutativo llamado grupo abelianitzat de G; es el más grande de los cocientes conmutativos de G.

En un anillo o un álgebra

En un anillo o, más generalmente, en un álgebra, el conmutador de dos elementos x e y es el elemento

[x,y] = xyyx.

De nuevo, está claro que [x, y] = 0 sii x e y conmutan. Un anillo o álgebra son conmutativos si todos los conmutadores son nulos.

Si A es una K-álgebra asociativa, entonces el producto (x,y)   [x,y] definido por el conmutador es alternado y satisface la identidad de Jacobi, de modo A es también una K-álgebra de Lie. El álgebra asociativa A es conmutativa si su álgebra de Lie asociada también lo es.

Propiedades relacionadas

Asociatividad

La propiedad asociativa está muy relacionada con la conmutativa. La propiedad asociativa de una expresión que contiene dos o más ocurrencias del mismo operador postula que el orden que se lleven a cabo las operaciones no afecta al resultado final, siempre que el orden de los términos no cambie. Por el contrario, la propiedad conmutativa dice que el orden de los términos no afecta al resultado final.

La mayoría de operaciones conmutativas que se encuentran en la práctica también son asociativas. Sin embargo, la conmutatividad no implica la asociatividad. Un contraejemplo sencillo es el siguiente:

 

Esta operación es claramente conmutativa (el intercambio entre x e y no afecta el resultado final porque se trata de una suma) pero no es asociativa, ya que, por ejemplo, m(1,m(2,3)) = 7/4, pero m(m(1,2),3) = 9/4. Al no ser asociativa no se puede aplicar el teorema de conmutatividad, como se ve por ejemplo en que m(1,m(2,3)) ≠ m(2,m(1,3)).

Existe una relación interesante entre asociatividad y conmutatividad. Consideremos un conjunto M dotado de una operación que representaremos multiplicativamente. Consideremos, para cada a de M, las correspondientes traslaciones por la izquierda y la derecha:

La: MM, La(x) = ax,
Ra: MM, Ra(x) = xa.

La asociatividad de la operación significa que (xy)z = x(yz) para cualquier x,y,z. Pero esta expresión se puede escribir Rz   Lx (y) = Lx   Rz (y), por lo que la operación es asociativa si toda traslación por la izquierda conmuta con toda traslación por la derecha.

Simetría

 
Gráfico que muestra la simetría de la función suma.

Algunas formas de simetría se pueden relacionar directamente con la conmutatividad. Cuando un operador conmutativo escribe como una función binaria entonces la función resultante es simétrica a lo largo de la línea y = x. Por ejemplo, si la función f representa la suma (una operación conmutativa) de tal manera que f(x,y) = x + y, entonces f es una función simétrica (véase la imagen de la derecha, donde se observa la simetría respecto a la diagonal).

En cuanto a relaciones entre dos variables, hay una estrecha conexión entre conmutatividad y la relación simétrica. Afirmar que una relación R es simétrica significa que  .

Operadores que no conmutan en mecánica cuántica

En mecánica cuántica, tal como la formuló Schrödinger, las magnitudes observables físicas se corresponden con un cierto tipo de operadores lineales, los operadores autoadjuntos en un espacio de Hilbert apropiado. Por ejemplo, en un movimiento unidimensional la posición x y la cantidad de movimiento p de una partícula están representadas respectivamente por los operadores   y  . Cuando el estado del sistema se representa mediante una función de onda ψ(x) de L2(R), entonces estos operadores interpretan como   (multiplicar por x) y   (donde ħ es la constante de Planck reducida). Estos dos operadores no conmutan, tal como se puede comprobar considerando el resultado de componerlos actuando sobre ψ(x) (omitimos el factor constante -iħ):

   diferente de   

Esta no conmutación también se puede expresar calculando su conmutador:

 

Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, si los operadores que representan dos magnitudes observables no conmutan, entonces estas no se pueden medir de forma precisa y simultánea. Así pues la posición y la cantidad de movimiento (en una dirección dada) no se pueden determinar simultáneamente. De manera más precisa, esta incertidumbre mínima viene cuantificada precisamente por el valor esperado del conmutador de los dos operadores, y en el caso de que nos ocupa esto significa que las desviaciones estándares de la posición y el momento satisfacen la desigualdad σxσp

Referencias

  1. Bourbaki, 1970, p. A III.19.
  2. Bourbaki, 1970, p. A I.8.
  3. Lang, 2002, p. 5.
  4. Bourbaki, 1970, p. cap. 1..
  5. Bourbaki, 1971, p. cap. 1.
  6. Lumpkin, 1997, p. 11.
  7. Robins y Shute, 1987.
  8. O'Connor y Robertson, 2005.
  9. Servois, 1814, p. 98.
  10. Miller, 2013.
  11. O'Connor y Robertson, 2000.
  12. Gregory, 1841, p. 233.
  13. Boole, 1844, p. 225.
  14. Bourbaki, 1970., p. E II.23..
  15. Bourbaki, 1970., p. E III.26..
  16. Cantor, 2006, p. 131.
  17. Halmos,, p. 83-84.
  18. Bourbaki, 1970, p. A II.182.

Bibliografía

Libros

  • Bourbaki, N. (1970). Algèbre, Chapitres 1 à 3 (en francés). París: Hermann. 
Éléments de mathématique (Elementos de matemática), libro de álgebra.
  • Bourbaki, N. (1971). Groupes et algèbres de Lie, Chapitre 1 (en francés). París: Hermann. 
Éléments de mathématique, libro de grupos y álgebras de Lie.
  • Bourbaki, N. (1970.). Théorie des ensembles (en francés). París: Hermann. 
Éléments de mathématique, libro de teoría de conjuntos.
  • Halmos, Paul R. (1960). Naive set theory. Nueva York: Van Nostrand. 
Texto clásico de teoría de conjuntos.
  • Cantor, Georg (2006). Fundamentos para una teoría general de conjuntos. Barcelona: Crítica. ISBN 84-8432-695-0. 
  • Castellet, Manuel; Llerena, Isabel (1990). Àlgebra lineal i geometria (en catalán). Inglaterra: Publicacions de la Universitat Autònoma de Barcelona. ISBN 84-7488-943-X. 
Libro de primer curso de universidad, donde se define o se estudia la conmutatividad de varias operaciones.
  • Lang, Serge (2002). Algebra (en inglés) (3a ed. edición). Nueva York: Springer. ISBN 0-387-95385-X. 
Texto clásico de álgebra.
  • Robins, Gay; Shute, Charles (1987). The Rhind mathematical papyrus: An ancient Egyptian text (en inglés). Londres: British Museum Publications. ISBN 0-7141-0944-4. 
Traducción e interpretación del papiro de Rhind.


Fuentes históricas

  • Boole, George (1844). «On a General Method in Analysis». Philosophical Transactions 134. p. p. 225-282. 
  • Servois (1814). «Analise transcendante. Essai sur un nouveau mode d'exposition des principes du calcul differentiel». Annales de Gergonne (en catalán) 5. p. p. 93-140. 
"Artículo de servos donde introduce el término "conmutativo ".
  • Gregory, Duncan Farquharson (1841). Examples of the processes of the differential and integral calculus. Cambridge: University Press. 
Libro de Gregory donde usa la expresión "ley conmutativa".
Artículo de Boole donde usa la expresión "ley conmutativa".

Recursos en línea

  • PlanetMath, ed. (2013). «Commutative» (en inglés). 
Definición de conmutatividad y ejemplos sencillos de operaciones conmutativas y no conmutativas.
  • Lumpkin, Beatrice (1997). «The Mathematical Legacy Of Ancient Egypt - A Response To Robert Palter» (en inglés).  (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
Artículo no publicado que describe la capacidad matemática de las civilizaciones antiguas.
  • Miller, Jeff (2013). «Commutative and distributive». Earliest Known Uses of Some of the Words of Mathematics (en inglés). 
"Página sobre los primeros usos de términos matemáticos.
  • O'Connor, J.J.; Robertson, E.F. (2005). «The real numbers: Pythagoras to Stevin» (en inglés). MacTutor History of Mathematics. 
Artículo sobre la historia de los números reales
  • O'Connor, J.J.; Robertson, E.F. (2000). MacTutor History of Mathematics, ed. «François Joseph Servois» (en inglés). 
Biografía sobre Servois.

Véase también

Enlaces externos

  •   Datos: Q165474
  •   Multimedia: Commutativity

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En matematicas la propiedad conmutativa o conmutatividad es una propiedad fundamental que tienen algunas operaciones segun la cual el resultado de operar dos elementos no depende del orden en el que se toman Esto se cumple en la adicion y la multiplicacion ordinarias el orden de los sumandos no altera la suma o el orden de los factores no altera el producto Ejemplo que muestra la conmutatividad de la suma 3 2 2 3 La conmutatividad de las operaciones elementales de sumar y multiplicar ya era conocida implicitamente desde la antiguedad aunque no fue llamada asi hasta principios del siglo XIX epoca en que las matematicas contemporaneas empezaban a formalizarse Las sucesivas ampliaciones del concepto de numero numeros naturales numeros enteros numeros racionales numeros reales ampliaron el alcance de las operaciones de sumar y multiplicar pero en todas ellas se preserva la conmutatividad Esta propiedad tambien se satisface en muchas otras operaciones como la suma de vectores polinomios matrices funciones reales etc o el producto de polinomios o de funciones reales En contraposicion a la adicion y la multiplicacion de numeros la sustraccion y la division no son operaciones conmutativas Entre las operaciones no conmutativas cabe destacar tambien la composicion de funciones el producto de matrices y el producto vectorial A pesar de ser una propiedad aplicada basicamente a las operaciones matematicas la conmutatividad o la no conmutatividad son relevantes en otros campos cercanos como la logica proposicional y algunas operaciones de teoria de conjuntos y en algunas aplicaciones fisicas tales como el principio de incertidumbre de la mecanica cuantica Fuera del ambito cientifico tambien se pueden encontrar ejemplos en la vida cotidiana ya que la ejecucion consecutiva de dos acciones puede tener un resultado diferente segun el orden en que se ejecuten Indice 1 Definicion 2 Ejemplos basicos adicion y multiplicacion de numeros 3 Propiedades 3 1 Centro 4 Estructuras 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binaria displaystyle star un conjunto M se dice que dos elementos x y de M conmutan o que son permutables cuando se cumple que x displaystyle star y y displaystyle star x Asi pues una operacion es conmutativa cuando dos elementos cualesquiera conmutan Ejemplos basicos adicion y multiplicacion de numeros EditarLa importancia fundamental de la propiedad conmutativa radica en el hecho de que la adicion y la multiplicacion de numeros naturales los numeros que permiten contar los conjuntos finitos son conmutativas Por ejemplo 2 3 5 3 2 displaystyle 2 3 5 3 2 2 3 6 3 2 displaystyle 2 cdot 3 6 3 cdot 2 Expresado de manera general para cualquier x y de N x y y x displaystyle x y y x x y y x displaystyle x cdot y y cdot x La ampliacion del sistema de los numeros naturales a otros sistemas numericos numeros enteros Z displaystyle mathbb Z numeros racionales Q displaystyle mathbb Q numeros reales R displaystyle mathbb R y numeros complejos C displaystyle mathbb C se hace extendiendose las operaciones de adicion y multiplicacion y de manera que estas siguen siendo conmutativas Por ejemplo 1 2 1 3 1 3 1 2 displaystyle cfrac 1 2 cfrac 1 3 cfrac 1 3 cfrac 1 2 Esto no quiere decir que cualquier ampliacion de un sistema numerico necesariamente vaya a respetar las propiedades previas El ejemplo mas importante de este hecho viene dado por el cuerpo de los cuaterniones H que al igual que el de los numeros complejos tambien es una extension del cuerpo de los numeros reales pero con tres unidades imaginarias i j k en lugar de una La multiplicacion de H no es conmutativa 1 ya que por ejemplo i j k es diferente de j i k En contraste con las operaciones de adicion y multiplicacion las operaciones que las permiten invertir sustraccion y division son claramente no conmutativas Basta poner un par de ejemplos La substraccion no es conmutativa ya que 1 2 displaystyle neq 2 1 La division no es conmutativa ya que 1 2 displaystyle neq 2 1 Notese que para poder efectuar estos calculos hay que trabajar en el sistema numerico apropiado Z para poder restar y Q para poder dividir por un numero diferente de 0Propiedades EditarEs importante destacar que para sacar provecho de la conmutatividad de una operacion es necesario que esta sea asociativa ya que en este caso la composicion de n elementos x1 xn se puede representar sin parentesis como x1 displaystyle star displaystyle star xn Por ejemplo 2 3 Teorema de conmutatividad Si una operacion es asociativa y conmutativa entonces la composicion de n elementos se puede calcular enpara cualquier permutacion y 1 y n de los indices 1 n Si una operacion displaystyle star asociativa y dos elementos x y conmutan entonces tambien conmutan sus potencias m x n y n y m x displaystyle star m x star star n y star n y star star m x para cualquier m y n numeros naturales no nulos En particular todas las potencias n x displaystyle star n x n gt 0 conmutan entre ellas Sea displaystyle star operacion asociativa en M Si x conmuta con y y con z entonces tambien conmuta con y displaystyle star zCentro Editar Articulo principal Centro algebra Dado un conjunto M con una operacion interna el centro de M es el subconjunto formado por los elementos que conmutan con todos los demas a veces se representa por Z M Afirmar que la operacion es conmutativa significa que el centro de M es todo M Como consecuencia de la ultima de las propiedades anteriores si la operacion es asociativa entonces el centro de M es una parte estable para la operacion es decir si dos elementos x y pertenecen al centro entonces x displaystyle star tambien pertenece Estructuras algebraicas y conmutatividad EditarUna estructura algebraica viene dada por uno o varios conjuntos dotados de operaciones binarias u operaciones externas En la definicion de cada tipo de estructura algebraica impone que estas operaciones cumplan ciertas propiedades entre las que puede estar la propiedad conmutativa Cuando en alguna de estas operaciones no se impone que satisfaga la propiedad conmutativa pero sin embargo la satisface entonces se anade el adjetivo conmutativo el nombre de la estructura en cuestion 4 Un magma es un conjunto dotado de una operacion binaria Cuando esta es conmutativa se llama magma conmutativo Un monoide es un conjunto dotado de una operacion asociativa con elemento neutro Si tambien es conmutativa se dice monoide conmutativo Por ejemplo N y N son monoides conmutativos Un grupo es un conjunto dotado de una operacion asociativa con elemento neutro y donde todo elemento es simetritzable Si la operacion es conmutativa se llama grupo conmutativo o grupo abeliano Por ejemplo Z es un grupo conmutativo Un anillo es un conjunto A dotado de dos operaciones binarias habitualmente denotadas con notacion aditiva y notacion multiplicativa Respecto a la primera A es un grupo conmutativo Respecto a la segunda A es un monoide Ademas la segunda debe ser distributiva respecto a la primera Cuando la multiplicacion es conmutativa se llama anillo conmutativo Por ejemplo Z es un anillo conmutativo Un cuerpo es un anillo donde 0 1 y todo elemento no nulo es invertible Un cuerpo se llama cuerpo conmutativo cuando la multiplicacion es conmutativa Por ejemplo con la suma y producto habituales Q R y C son cuerpos conmutativos mientras que el cuerpo de los cuaterniones H es un cuerpo no conmutativo Notese sin embargo que algunos autores prefieren requerir la conmutatividad del producto dentro de la definicion de cuerpo en cuyo contexto los cuerpos no conmutativos son llamados anillos de division Un espacio vectorial sobre un cuerpo K es un conjunto E dotado de una adddicio respecto a la que E es un grupo conmutativo y de una operacion externa que permite multiplicar elementos de E vectores para elementos de K escalares Si en lugar de un cuerpo se considera un anillo la estructura resultante se llama modulo Dado un cuerpo conmutativo K o mas generalmente un anillo conmutativo una K algebra es un conjunto A dotado de una estructura de K espacio vectorial K modulo si K es un anillo y de una segunda operacion binaria usualmente representada con notacion multiplicativa Cuando esta operacion es conmutativa se llama K algebra conmutativa Por ejemplo C y H son R algebras asociativas y unitarias la primera es conmutativa y la segunda no Otro ejemplo de gran importancia es el conjunto de los polinomios en una variable con coeficientes enK K X que con las operaciones habituales de suma y producto de polinomios y de producto por escalares es unaK algebra asociativa conmutativa y unitaria Hay sin embargo un caso especial en el que el adjetivo conmutativo no tiene exactamente el mismo significado que en los casos anteriores Una K algebra de Lie es una K algebra cuyo producto usualmente denotado por x y displaystyle mapsto x y satisface las propiedades de ser alternado x x 0 para todo x y la identidad de Jacobi Se dice que es una K algebra de Lie conmutativa cuando el producto de dos elementos cualesquiera es nulo x y 0 5 El adjetivo conmutativo aparece tambien en el nombre de una rama del algebra el algebra conmutativa que estudia los anillos conmutativos y sus modulos Historia Editar El primer uso conocido del termino conmutativo fue en un articulo de servos en frances en 1814 Los primeros usos implicitos de la propiedad conmutativa se remontan a la antiguedad Los egipcios utilizaban la propiedad conmutativa de la multiplicacion para simplificar el calculo de productos 6 7 En la Antigua Grecia Euclides asumio la propiedad conmutativa de la multiplicacion en su obra Elementos 8 Los usos formales de la propiedad conmutativa aparecieron a finales del siglo XVIII y los inicios del XIX cuando los matematicos empezaron a trabajar en el campo de la teoria de funciones La primera utilizacion documentada del adjetivo conmutativo fue en un articulo de Francois Servois de 1814 los Annales de Gergonne 9 10 11 donde aparece la expresion en frances conmutativas entre ellas para describir en la terminologia actual el hecho de que dos funciones conmutan En 1841 Duncan Farquharson Gregory uso la expresion en ingles commutative law en su libro Examples of the processes of the differential and integral calculus 12 para referirse a la posibilidad de conmutar dos operaciones Este uso fue recogido poco despues en 1844 por George Boole en un articulo en Philosophical Transactions 13 Otros usos y ejemplos de conmutatividad EditarLogica proposicional Editar La propiedad conmutativa tambien es aplicable a algunas operaciones de la logica proposicional En logica proposicional la conmutacion se encuentra en algunas reglas de sustitucion P Q Q P displaystyle P lor Q Leftrightarrow Q lor P y P Q Q P displaystyle P land Q Leftrightarrow Q land P donde displaystyle Leftrightarrow es un simbolo metalogico que significa en una demostracion formal se puede sustituir con Conectivos de funciones de verdad EditarLa conmutatividad es una propiedad de algunas conectivas logicas de la logica proposicional que se expresa con equivalencias logicas Conmutatividad de la conjuncion P Q Q P displaystyle P land Q leftrightarrow Q land P Conmutatividad de la disyuncion P Q Q P displaystyle P lor Q leftrightarrow Q lor P Conmutatividad de la implicacion tambien llamada ley de la permutacion P Q R Q P R displaystyle P to Q to R leftrightarrow Q to P to R Conmutatividad de la equivalencia tambien llamada ley conmutativa completa de la equivalencia P Q Q P displaystyle P leftrightarrow Q leftrightarrow Q leftrightarrow P Teoria de conjuntos Editar La union y la interseccion de conjuntos son operaciones conmutativas 14 Aunque estas operaciones se pueden efectuar con familias arbitrarias de conjuntos cuando se trata de dos conjuntos estas propiedades se expresan A B B A A B B A displaystyle A cup B B cup A quad A cap B B cap A La suma y el producto de cardinales son operaciones conmutativas 15 Si a displaystyle mathfrak a i b displaystyle mathfrak b son dos cardinales entonces a b b a a b b a displaystyle mathfrak a mathfrak b mathfrak b mathfrak a quad mathfrak a mathfrak b mathfrak b mathfrak a Esto implica en particular que la suma y el producto de numeros naturales es decir los cardinales de los conjuntos finitos son conmutativas La conmutatividad de la suma es consecuencia de la de la union de conjuntos La conmutatividad del producto es consecuencia de que un producto cartesiano de conjuntos tiene el mismo numero de elementos independientemente de como se realice este producto En contraste con los cardinales en general la suma y el producto de ordinales transfinitos no son conmutativas 16 17 Por ejemplo si w es el ordinal de N 1 w w 1 Otras operaciones algebraicas EditarAdemas de la adicion y multiplicacion de numeros hay otras operaciones analogas que son conmutativas Entre ellas destaca la adicion de vectores en un espacio vectorial cualquiera como por ejemplo el espacio euclidiano Rn l espai Mm n R de las matrices m n con coeficientes reales o el espacio de las funciones reales F displaystyle mathcal F E R definidas en un conjunto cualquiera E Tambien se dice que el producto escalar de vectores en un espacio euclidiano es conmutativo aunque al no tratarse de una operacion interna seria mas apropiado decir que es simetrico Vida cotidiana Editar En la vida cotidiana se pueden encontrar numerosos ejemplos de operaciones conmutativas como por ejemplo la accion de ponerse los calcetines no importa que calcetin se ponga primero de cualquiera de las dos maneras el resultado final tener los dos calcetines puestos es el mismo Un ejemplo que utiliza la conmutatividad de la adicion se observa cuando se paga un producto o servicio con monedas independientemente del orden en que se den en el cajero el total acumulado siempre es el mismo Ejemplos de operaciones no conmutativas EditarTeoria de conjuntos Editar La composicion de funciones no es una operacion conmutativa Por ejemplo consideremos las funciones f g R R definidas por f x x 1 g x x2 Entonces g f x x 2 2 x 1 displaystyle g circ f x x 2 2x 1 que es diferente de f g x x 2 1 displaystyle f circ g x x 2 1 Un caso particular interesante es el de las biyecciones de un conjunto en si mismo es decir las permutaciones que forman un grupo dicho grupo simetrico Este no es conmutativo cuando el conjunto tiene 3 o mas elementos Operaciones anticonmutativas Editar Un algebra es anticonmutativa si y solo si x y y x para todo x y donde representa a un operador matematico binario Entre los ejemplo de operadores anticonmutativos se encuentran La resta El producto vectorial Las algebras de Lie Otras operaciones algebraicas Editar En cuanto a operaciones no conmutativas en matematicas y aparte de la sustraccion y division ya mencionadas algunas operaciones binarias no conmutativas son las siguientes La potenciacion no es conmutativa ya que por ejemplo 23 8 es diferente de 32 9 La multiplicacion de matrices no es conmutativa por ejemplo 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 displaystyle begin bmatrix 0 amp 0 1 amp 0 end bmatrix begin bmatrix 0 amp 1 0 amp 0 end bmatrix begin bmatrix 0 amp 0 0 amp 1 end bmatrix que es diferente de 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 displaystyle begin bmatrix 0 amp 1 0 amp 0 end bmatrix begin bmatrix 0 amp 0 1 amp 0 end bmatrix begin bmatrix 1 amp 0 0 amp 0 end bmatrix Mas generalmente si n 2 el anillo de las matrices cuadradas Mn R no es conmutativo y su centro esta formado por las matrices escalares es decir las matrices multiples de la identidad 18 Vida cotidiana Editar En la vida del dia a dia se pueden encontrar multitud de ejemplos de operaciones no conmutativas Un ejemplo sencillo podria ser el de lavar y planchar la ropa las acciones de lavar y planchar en este orden producen un resultado diferente que planchar y luego lavar Otro ejemplo es la concatenacion de textos es decir la accion de juntar cadenas de caracteres No es lo mismo escribir LA y luego CA LACA que escribir primero CA y luego LA CALA Finalmente un ultimo ejemplo los movimientos del cubo de Rubik no conmutan de hecho todos ellos forman un grupo no conmutativo Conmutador EditarArticulo principal Conmutador de dos operadores El conmutador da una indicacion de la medida en que una cierta operacion binaria no consigue ser conmutativa Para poder definirlo hay una cierta estructura adicional ya sea que la operacion es la de un grupo o bien que sea la multiplicacion en un anillo o algebra En un grupo Editar En un grupo el conmutador de dos elementos x e y es el elemento x y x 1 y 1 x y displaystyle x y x 1 y 1 xy Tambien se puede definir con otro convenio invirtiendo las segundas x e y en lugar de las primeras Esta claro que x y e elemento neutro del grupo si x e y conmutan Un grupo es conmutativo sii todos los conmutadores son el elemento neutro El conjunto de los conmutadores de un grupo G no es por lo general un subgrupo pero genera un subgrupo normal llamado subgrupo de los conmutadores o subgrupo derivado El cociente G D de G por su subgrupo derivado es un grupo conmutativo llamado grupo abelianitzat de G es el mas grande de los cocientes conmutativos de G En un anillo o un algebra Editar En un anillo o mas generalmente en un algebra el conmutador de dos elementos x e y es el elemento x y xy yx De nuevo esta claro que x y 0 sii x e y conmutan Un anillo o algebra son conmutativos si todos los conmutadores son nulos Si A es una K algebra asociativa entonces el producto x y displaystyle mapsto x y definido por el conmutador es alternado y satisface la identidad de Jacobi de modo A es tambien una K algebra de Lie El algebra asociativa A es conmutativa si su algebra de Lie asociada tambien lo es Propiedades relacionadas EditarAsociatividad Editar Articulo principal Propiedad asociativa La propiedad asociativa esta muy relacionada con la conmutativa La propiedad asociativa de una expresion que contiene dos o mas ocurrencias del mismo operador postula que el orden que se lleven a cabo las operaciones no afecta al resultado final siempre que el orden de los terminos no cambie Por el contrario la propiedad conmutativa dice que el orden de los terminos no afecta al resultado final La mayoria de operaciones conmutativas que se encuentran en la practica tambien son asociativas Sin embargo la conmutatividad no implica la asociatividad Un contraejemplo sencillo es el siguiente m x y x y 2 displaystyle m x y frac x y 2 Esta operacion es claramente conmutativa el intercambio entre x e y no afecta el resultado final porque se trata de una suma pero no es asociativa ya que por ejemplo m 1 m 2 3 7 4 pero m m 1 2 3 9 4 Al no ser asociativa no se puede aplicar el teorema de conmutatividad como se ve por ejemplo en que m 1 m 2 3 m 2 m 1 3 Existe una relacion interesante entre asociatividad y conmutatividad Consideremos un conjunto M dotado de una operacion que representaremos multiplicativamente Consideremos para cada a de M las correspondientes traslaciones por la izquierda y la derecha La M M La x ax Ra M M Ra x xa La asociatividad de la operacion significa que xy z x yz para cualquier x y z Pero esta expresion se puede escribir Rz displaystyle circ Lx y Lx displaystyle circ Rz y por lo que la operacion es asociativa si toda traslacion por la izquierda conmuta con toda traslacion por la derecha Simetria Editar Articulo principal Simetria Grafico que muestra la simetria de la funcion suma Algunas formas de simetria se pueden relacionar directamente con la conmutatividad Cuando un operador conmutativo escribe como una funcion binaria entonces la funcion resultante es simetrica a lo largo de la linea y x Por ejemplo si la funcion f representa la suma una operacion conmutativa de tal manera que f x y x y entonces f es una funcion simetrica vease la imagen de la derecha donde se observa la simetria respecto a la diagonal En cuanto a relaciones entre dos variables hay una estrecha conexion entre conmutatividad y la relacion simetrica Afirmar que una relacion R es simetrica significa que x R y y R x displaystyle x R y Leftrightarrow y R x Operadores que no conmutan en mecanica cuantica EditarArticulo principal Principio de incertidumbre de Heisenberg En mecanica cuantica tal como la formulo Schrodinger las magnitudes observables fisicas se corresponden con un cierto tipo de operadores lineales los operadores autoadjuntos en un espacio de Hilbert apropiado Por ejemplo en un movimiento unidimensional la posicion x y la cantidad de movimiento p de una particula estan representadas respectivamente por los operadores x displaystyle hat x y p displaystyle hat p Cuando el estado del sistema se representa mediante una funcion de onda ps x de L2 R entonces estos operadores interpretan como x ps x ps x displaystyle hat x psi x psi x multiplicar por x y p i ℏ d d x displaystyle hat p mathrm i hbar mathrm d mathrm d x donde ħ es la constante de Planck reducida Estos dos operadores no conmutan tal como se puede comprobar considerando el resultado de componerlos actuando sobre ps x omitimos el factor constante iħ x d d x ps x ps displaystyle x left d over dx psi right x psi diferente de d d x x ps x ps x ps displaystyle d over dx x psi x psi x psi Esta no conmutacion tambien se puede expresar calculando su conmutador x p i ℏ I d displaystyle hat x hat p mathrm i hbar mathrm Id Segun el principio de incertidumbre de Heisenberg si los operadores que representan dos magnitudes observables no conmutan entonces estas no se pueden medir de forma precisa y simultanea Asi pues la posicion y la cantidad de movimiento en una direccion dada no se pueden determinar simultaneamente De manera mas precisa esta incertidumbre minima viene cuantificada precisamente por el valor esperado del conmutador de los dos operadores y en el caso de que nos ocupa esto significa que las desviaciones estandares de la posicion y el momento satisfacen la desigualdad sxspReferencias Editar Bourbaki 1970 p A III 19 Bourbaki 1970 p A I 8 Lang 2002 p 5 Bourbaki 1970 p cap 1 Bourbaki 1971 p cap 1 Lumpkin 1997 p 11 Robins y Shute 1987 O Connor y Robertson 2005 Servois 1814 p 98 Miller 2013 O Connor y Robertson 2000 Gregory 1841 p 233 Boole 1844 p 225 Bourbaki 1970 p E II 23 Bourbaki 1970 p E III 26 Cantor 2006 p 131 Halmos p 83 84 Bourbaki 1970 p A II 182 Bibliografia EditarLibros Editar Bourbaki N 1970 Algebre Chapitres 1 a 3 en frances Paris Hermann Elements de mathematique Elementos de matematica libro de algebra Bourbaki N 1971 Groupes et algebres de Lie Chapitre 1 en frances Paris Hermann Elements de mathematique libro de grupos y algebras de Lie Bourbaki N 1970 Theorie des ensembles en frances Paris Hermann Elements de mathematique libro de teoria de conjuntos Halmos Paul R 1960 Naive set theory Nueva York Van Nostrand Texto clasico de teoria de conjuntos Cantor Georg 2006 Fundamentos para una teoria general de conjuntos Barcelona Critica ISBN 84 8432 695 0 Castellet Manuel Llerena Isabel 1990 Algebra lineal i geometria en catalan Inglaterra Publicacions de la Universitat Autonoma de Barcelona ISBN 84 7488 943 X Libro de primer curso de universidad donde se define o se estudia la conmutatividad de varias operaciones Lang Serge 2002 Algebra en ingles 3a ed edicion Nueva York Springer ISBN 0 387 95385 X Texto clasico de algebra Robins Gay Shute Charles 1987 The Rhind mathematical papyrus An ancient Egyptian text en ingles Londres British Museum Publications ISBN 0 7141 0944 4 Traduccion e interpretacion del papiro de Rhind Fuentes historicas Editar Boole George 1844 On a General Method in Analysis Philosophical Transactions 134 p p 225 282 Falta la url ayuda Servois 1814 Analise transcendante Essai sur un nouveau mode d exposition des principes du calcul differentiel Annales de Gergonne en catalan 5 p p 93 140 Falta la url ayuda Articulo de servos donde introduce el termino conmutativo Gregory Duncan Farquharson 1841 Examples of the processes of the differential and integral calculus Cambridge University Press Libro de Gregory donde usa la expresion ley conmutativa Articulo de Boole donde usa la expresion ley conmutativa Recursos en linea Editar PlanetMath ed 2013 Commutative en ingles Definicion de conmutatividad y ejemplos sencillos de operaciones conmutativas y no conmutativas Lumpkin Beatrice 1997 The Mathematical Legacy Of Ancient Egypt A Response To Robert Palter en ingles enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Articulo no publicado que describe la capacidad matematica de las civilizaciones antiguas Miller Jeff 2013 Commutative and distributive Earliest Known Uses of Some of the Words of Mathematics en ingles Pagina sobre los primeros usos de terminos matematicos O Connor J J Robertson E F 2005 The real numbers Pythagoras to Stevin en ingles MacTutor History of Mathematics Articulo sobre la historia de los numeros realesO Connor J J Robertson E F 2000 MacTutor History of Mathematics ed Francois Joseph Servois en ingles Biografia sobre Servois Vease tambien EditarAnticonmutatividad Propiedad distributivaEnlaces externos 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