Полупрямой продукт

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В математике , особенно в теории групп , понятие полупрямого произведения является обобщением прямого произведения . Существуют две тесно связанные концепции полупрямого продукта:

  • Внутреннее , одна полупрямое произведение — это особый способ группы составления из двух подгрупп из которых является нормальной подгруппой .
  • внешнее декартово полупрямое произведение — это способ построить новую группу из двух заданных групп, используя произведение в качестве множества и определенную операцию умножения.

Как и в случае с прямыми продуктами, существует естественная эквивалентность между внутренними и внешними полупрямыми продуктами, и оба обычно называются просто полупрямыми продуктами .

Для конечных групп теорема Шура – ​​Зассенхауза обеспечивает достаточное условие существования разложения в виде полупрямого произведения (также известного как расширение расщепления ).

внутреннего Определения продукта полупрямого

Для группы G с единичным элементом e , подгруппы H и нормальной подгруппы N G следующие утверждения эквивалентны:

групп (которое также известно как групповое расширение к ).

следовательно, все они верны в силу их эквивалентности), мы говорим, что G является полупрямым произведением N Если какое-либо из этих утверждений верно (и , и H , записанным

или

или что G распадается над N ; также говорят, что G является полупрямым произведением H, на N , или даже полупрямым произведением H и N. действующим Во избежание двусмысленности желательно указать, какая подгруппа является нормальной.

Если , то существует групповой гомоморфизм данный , и для , у нас есть .

Внутренние и внешние полупрямые продукты [ править ]

Давайте сначала рассмотрим внутренний полупрямой продукт. В этом случае для группы , рассмотрим нормальную подгруппу N и другую подгруппу H (не обязательно нормальную). Предположим, что условия из приведенного выше списка остаются в силе. Позволять обозначают группу всех автоморфизмов N , которая является группой композиции. Построить групповой гомоморфизм определяется спряжением,

для всех h в H и n в N. ,

Таким образом, мы можем построить группу с групповой операцией, определенной как

для n 1 , n 2 в N и h 1 , h 2 в H .

Подгруппы N и H определяют G с точностью до изоморфизма, как мы покажем позже. Таким образом, мы можем построить группу G из ее подгрупп. Такая конструкция называется внутренним полупрямым произведением (также известным как внутреннее полупрямое произведение). [1] ).

Давайте теперь рассмотрим внешний полупрямой продукт. Учитывая любые две группы N и H и групповой гомоморфизм φ : H → Aut( N ) , мы можем построить новую группу N φ H , называемую внешним полупрямым произведением N , и H относительно φ определяемую следующим образом: [2]

  • Базовым набором является декартово произведение N × H .
  • Групповая операция определяется гомоморфизмом φ :
    для n 1 , n 2 в N и h 1 , h 2 в H .

Это определяет группу, в которой единичным элементом является ( e N , e H ) , а обратным элементу ( n , h ) является ( φ h −1 ( н −1 ), ч −1 ) . Пары ( n , eH образуют подгруппу , ) изоморфную N пары ( eN образуют нормальную подгруппу , , h ) изоморфную H. , а Полная группа является полупрямым произведением этих двух подгрупп в указанном ранее смысле.

предположим, что нам дана группа G с нормальной подгруппой N и подгруппой H , такая, что каждый элемент g из G можно однозначно записать в виде g = nh , где n лежит в N , а h лежит в H. Обратно , Пусть φ : H → Aut( N ) — гомоморфизм (обозначенный φ ( h ) = φ h ), заданный формулой

для n N , h H. всех

Тогда G изоморфна полупрямому произведению N φ H . Изоморфизм λ : G N φ H корректно определен. на λ ( a ) = λ ( nh ) = ( n, h ) в силу единственности разложения a = nh .

В G у нас есть

Таким образом, для a = n 1 h 1 и b = n 2 h 2 получаем

что доказывает , что λ — гомоморфизм. Поскольку λ, очевидно, является эпиморфизмом и мономорфизмом, то он действительно является изоморфизмом. Это также объясняет определение правила умножения в N φ H .

Прямой продукт является частным случаем полупрямого продукта. Чтобы убедиться в этом, пусть тривиальный гомоморфизм (т. е. переводящий каждый элемент H в тождественный автоморфизм N ), тогда N φ H — прямое произведение N × H. φ

Версия леммы о расщеплении групп утверждает, что группа G изоморфна полупрямому произведению двух групп N и H тогда и только тогда, когда существует короткая точная последовательность

и групповой гомоморфизм γ : H G такой, что α γ = id H , тождественное отображение на H . В этом случае φ : H → Aut( N ) задается формулой φ ( h ) = φ h , где

Примеры [ править ]

Группа диэдра [ править ]

Группа диэдра D 2 n с 2 n элементами изоморфна полупрямому произведению циклических групп C n и C 2 . [3] Здесь неединичный элемент C 2 действует на C n , инвертируя элементы; это автоморфизм, Cn так абелева как . Презентация для этой группы:

Циклические группы [ править ]

В более общем смысле, полупрямое произведение любых двух циклических групп Cm a с генератором и Cn с b генератором задается одним дополнительным соотношением, aba −1 = б к , где k и n взаимно простые , и ; [3] то есть презентация: [3]

Если r и m взаимно просты, a р является генератором C m и a р нет -r = б к р , отсюда и представление:

дает группу, изоморфную предыдущей.

Голоморф группы [ править ]

Одним из канонических примеров группы, выраженной как полупрямое произведение, является голоморф группы. Это определяется как

где является группой автоморфизмов группы и структурная карта происходит от правильных действий на . С точки зрения умножения элементов это дает структуру группы

бутылки Клейна Основная группа

Фундаментальную группу бутылки Клейна можно представить в виде

и, следовательно, является полупрямым произведением группы целых чисел, , с . Соответствующий гомоморфизм φ : → Или ( ) определяется выражением φ ( час )( n ) = (−1) час н .

Верхнетреугольные матрицы [ править ]

Группа верхнетреугольных матриц с ненулевым определителем в произвольном поле, то есть с ненулевыми элементами на диагонали , имеет разложение в полупрямое произведение [4] где является подгруппой матриц только с находится на диагонали, которая называется верхней унитреугольной матричной группой, и — подгруппа диагональных матриц .
Групповое действие на индуцируется умножением матриц. Если мы установим

и

тогда их матричное произведение равно

Это дает индуцированное групповое действие

Матрица в могут быть представлены матрицами в и . Следовательно .

Группа изометрий на плоскости [ править ]

Евклидова группа всех жестких движений ( изометрий ) плоскости (отображения f : 2 2 такое, что евклидово расстояние между x и y равняется расстоянию между f ( x ) и f ( y ) для всех x и y в ) изоморфно полупрямому произведению абелевой группы (которая описывает сдвиги) и группу O(2) ортогональных (которая описывает вращения и отражения , матриц 2 × 2 которые сохраняют начало координат фиксированным). Применение перевода, а затем вращения или отражения имеет тот же эффект, что и применение сначала вращения или отражения, а затем перевода с помощью повернутого или отраженного вектора перемещения (т. е. применение сопряжения исходного перевода). Это показывает, что группа сдвигов является нормальной подгруппой евклидовой группы, что евклидова группа является полупрямым произведением группы сдвигов и O(2) и что соответствующий гомоморфизм φ : O(2) → Aut( 2 ) задается матричным умножением : φ ( час )( n ) = hn .

Ортогональная группа O(n) [ править ]

Ортогональная группа O( n ) всех ортогональных действительных матриц размера n × n (интуитивно совокупность всех вращений и отражений n -мерного пространства, сохраняющих начало координат фиксированным) изоморфна полупрямому произведению группы SO( n ) (состоящему из всех ортогональных матриц с определителем 1 (интуитивно повороты n -мерного пространства) и C 2 . Если мы представим C 2 как мультипликативную группу матриц { I , R } , где R — отражение n -мерного пространства, которое сохраняет начало координат фиксированным (т. е. ортогональная матрица с определителем –1 , представляющим инволюцию ), то φ : C 2 → Aut(SO( n )) задается формулой φ ( H )( N ) = HNH −1 для всех H в C 2 и N в SO( n ) . В нетривиальном случае ( H не тождественно) это означает, что φ ( H ) есть сопряжение операций отражением (в 3-мерном пространстве ось вращения и направление вращения заменяются своим «зеркальным отображением») .

Полулинейные преобразования [ править ]

Группа полулинейных преобразований в векторном пространстве V над полем , часто обозначаемый ΓL( V ) , изоморфен полупрямому произведению линейной группы GL( V ) ( нормальной подгруппы ΓL ( V ) ) и автоморфизмов группы .

Кристаллографические группы [ править ]

В кристаллографии пространственная группа кристалла распадается как полупрямое произведение точечной группы и группы трансляции тогда и только тогда, когда пространственная группа симморфна . Несимморфные пространственные группы имеют точечные группы, которые даже не входят в состав пространственной группы, что и является причиной большей сложности их анализа. [5]

Непримеры [ править ]

Конечно, ни одна простая группа не может быть выражена как полупрямое произведение (поскольку у них нет нетривиальных нормальных подгрупп), но существует несколько распространенных контрпримеров групп, содержащих нетривиальную нормальную подгруппу, которую, тем не менее, нельзя выразить как полупрямое произведение. -прямой продукт. Обратите внимание: хотя не каждая группа может быть выражено как разделенное расширение к , оказывается, такую ​​группу можно вложить в сплетение по универсальной теореме вложения .

Z4 [ править ]

Циклическая группа не является простой группой, так как имеет подгруппу порядка 2, а именно является подгруппой и их частное равно , поэтому есть расширение

Если расширение было разделено , то группа в

был бы изоморфен .

Q8 [ править ]

Группа восьми кватернионов где и , является еще одним примером группы [6] которая имеет нетривиальные нормальные подгруппы, но все еще не расщеплена. Например, подгруппа, созданная изоморфен и это нормально. Он также имеет подгруппу порядка Сгенерированно с помощью . Это будет означать должно было бы быть расщепленным расширением в следующей гипотетической точной последовательности групп:

,

но такой точной последовательности не существует. Это можно показать, вычислив первую группу когомологий группы с коэффициентами в , так и отметив, что две группы в этих расширениях: и группа диэдра . Но поскольку ни одна из этих групп не изоморфна , группа кватернионов не расщепляется. Отсутствие изоморфизмов можно проверить, заметив, что тривиальное расширение является абелевым, а неабелева, и, отметив, что единственными нормальными подгруппами являются и , но имеет три подгруппы, изоморфные .

Свойства [ править ]

Если G — полупрямое произведение нормальной подгруппы N и подгруппы H и обе N и H конечны, то G равен H. произведению порядков N и , порядок Это следует из того факта, что G имеет тот же порядок, что и внешнее полупрямое произведение N и H , базовым множеством которого является произведение N × H. декартово

Связь продуктами с прямыми

Предположим, что G — полупрямое произведение нормальной подгруппы N и подгруппы H . Если H также нормален в G или, что то же самое, если существует гомоморфизм G N который является тождеством на N с ядром H , то G является прямым произведением N , и H .

Прямое произведение двух групп N и H можно рассматривать как полупрямое произведение N и H относительно φ ( h id N для всех h в H. ) =

Обратите внимание, что в прямом произведении порядок множителей неважен, поскольку N × H изоморфно H × N . Это не относится к полупрямым продуктам, поскольку эти два фактора играют разные роли.

Более того, результат (собственного) полупрямого произведения с помощью нетривиального гомоморфизма никогда не будет абелевой группой , даже если фактор-группы абелевы.

Неуникальность полупрямых продуктов (и примеры дальнейшие )

В отличие от случая с прямым произведением , полупрямое произведение двух групп, вообще говоря, не является единственным; если G и G' — две группы, которые обе содержат изоморфные копии N как нормальной подгруппы и H как подгруппы, и обе являются полупрямым произведением N и H , то из этого не следует, что G и G' изоморфны , потому что также зависит от выбора действия H на N. полупрямое произведение

Например, существуют четыре неизоморфные группы порядка 16, которые являются полупрямыми произведениями C 8 и C 2 ; в этом случае C 8 обязательно является нормальной подгруппой, поскольку она имеет индекс 2. Одно из этих четырех полупрямых произведений является прямым произведением, а остальные три являются неабелевыми группами:

Если данная группа является полупрямым произведением, то нет гарантии, что это разложение единственно. Например, существует группа порядка 24 (единственная, содержащая шесть элементов порядка 4 и шесть элементов порядка 6), которую можно выразить как полупрямое произведение следующими способами: (D 8 ⋉ C 3 ) ≅ (C 2 Q 12 ) ≅ ( C 2 ⋉ D 12 ) ≅ (D 6 V ) . [7]

Существование [ править ]

В общем, не существует известной характеризации (т. е. необходимого и достаточного условия) существования полупрямых произведений в группах. Однако известны некоторые достаточные условия, гарантирующие существование в определенных случаях. Для конечных групп теорема Шура – ​​Цассенхауза гарантирует существование полупрямого произведения, когда порядок нормальной подгруппы взаимно прост с порядком факторгруппы .

Например, теорема Шура – ​​Цассенхауза предполагает существование полупрямого произведения среди групп порядка 6; таких произведений два, одно из которых — прямое произведение, а другое — группа диэдра. Напротив, теорема Шура – ​​Цассенхауза ничего не говорит, например, о группах 4-го порядка или группах 8-го порядка.

Обобщения [ править ]

В рамках теории групп построение полупрямых произведений можно продвинуть гораздо дальше. Произведение групп Заппы – Сепа представляет собой обобщение, которое в своей внутренней версии не предполагает, что какая-либо подгруппа нормальна.

есть также конструкция В теории колец скрещенное произведение колец . Оно строится естественным образом из группового кольца полупрямого произведения групп. Теоретико-кольцевой подход можно далее обобщить на полупрямую сумму алгебр Ли .

Для геометрии существует также скрещенное произведение групповых действий в топологическом пространстве ; к сожалению, она, вообще говоря, некоммутативна, даже если группа абелева. В этом контексте полупрямое произведение представляет собой пространство орбит действия группы. Последний подход был предложен Аленом Конном как замена подходам, основанным на традиционных топологических методах; см. некоммутативную геометрию .

Полупрямое произведение представляет собой частный случай конструкции Гротендика в теории категорий . В частности, действие на (с учетом группы или даже просто структуры моноида) — это то же самое, что функтор

из группоида связанный с H (имеющий единственный объект *, чьи эндоморфизмы равны H ) с категорией категорий таких, что уникальный объект в отображается на . Конструкция Гротендика этого функтора эквивалентна , (группоид, связанный с) полупрямым произведением. [8]

Группоиды [ править ]

Другое обобщение касается группоидов. Это происходит в топологии, потому что если группа G действует в пространстве X, она также действует и на фундаментальном группоиде π 1 ( X ) этого пространства. Полупрямое произведение π 1 ( X ) ⋊ G тогда имеет отношение к нахождению фундаментального группоида пространства орбит X/G . Полную информацию см. в главе 11 книги, указанной ниже, а также некоторые подробности полупрямого произведения. [9] в нкатлабе .

Абелевы категории [ править ]

Нетривиальные полупрямые произведения не возникают в абелевых категориях , таких как категория модулей . В этом случае лемма о расщеплении показывает, что каждый полупрямой продукт является прямым продуктом. Таким образом, существование полупрямых произведений отражает неспособность категории быть абелевой.

Обозначения [ править ]

Обычно полупрямое произведение группы H , действующее на группу N обозначается N H или H N. (в большинстве случаев сопряжением в виде подгрупп общей группы) , Однако некоторые источники [10] может использовать этот символ в противоположном значении. В случае, если действие φ : H → Aut( N ) должно быть явным, пишут также N φ H . можно рассматривать Символ N H как комбинацию символа нормальной подгруппы ( ) и символа произведения ( × ). Барри Саймон в своей книге по теории представления групп [11] использует необычное обозначение для полупрямого продукта.

Юникод перечисляет четыре варианта: [12]

Ценить МатематикаML Описание в Юникоде
U + 22C9 последние ЛЕВЫЙ НОРМАЛЬНЫЙ ФАКТОР ПОЛУПРЯМОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ
U + 22CA время ПРАВИЛЬНЫЙ НОРМАЛЬНЫЙ ФАКТОР ПОЛУПРЯМОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ
U + 22CB три ЛЕВОЕ ПОЛУПРЯМОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ
U + 22CC три ПРАВИЛЬНЫЙ ПОЛУПРЯМОЙ ПРОДУКТ

Здесь в описании символа rtimes в Юникоде говорится «правый нормальный коэффициент», в отличие от его обычного значения в математической практике.

В LaTeX команды \rtimes и \ltimes создают соответствующие символы. При загруженном пакете символов AMS \leftthreetimes выдаёт ⋋, а \rightthreetimes выдаёт ⋌.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Д.С. Даммит и Р.М. Фут (1991), Абстрактная алгебра , Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл , 142.
  2. ^ Робинсон, Дерек Джон Скотт (2003). Введение в абстрактную алгебру . Вальтер де Грюйтер . стр. 75–76. ISBN  9783110175448 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с Мак Лейн, Сондерс ; Биркгоф, Гаррет (1999). Алгебра (3-е изд.). Американское математическое общество. стр. 414–415. ISBN  0-8218-1646-2 .
  4. ^ Милн. Алгебраические группы (PDF) . стр. 45, полупрямые продукты. Архивировано (PDF) из оригинала 7 марта 2016 г.
  5. ^ Томпсон, Ник. «Неприводимые зоны Бриллюэна и зональные структуры» . BandGap.io . Проверено 13 декабря 2017 г.
  6. ^ "абстрактная алгебра. Можно ли каждую непростую группу $G$ записать как полупрямое произведение?" . Математический обмен стеками . Проверено 29 октября 2020 г.
  7. ^ ОН Роуз (2009). Курс конечных групп . Springer Science & Business Media. п. 183. ИСБН  978-1-84882-889-6 . Обратите внимание, что Роуз использует соглашение об обозначениях, противоположное тому, которое принято на этой странице (стр. 152).
  8. ^ Барр и Уэллс (2012 , §12.2)
  9. ^ «Ncatlab.org» .
  10. ^ например Э.Б. Винберг (2003). Курс алгебры . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. п. 389. ИСБН  0-8218-3413-4 .
  11. ^ Б. Саймон (1996). Представления конечных и компактных групп . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. п. 6. ISBN  0-8218-0453-7 .
  12. ^ См. unicode.org.

Ссылки [ править ]

  • Барр, Майкл; Уэллс, Чарльз (2012), Теория категорий для информатики , Отпечатки в теории и приложениях категорий, том. 2012, с. 558, Збл   1253.18001
  • Браун, Р. (2006), Топология и группоиды , Booksurge, ISBN  1-4196-2722-8