Jump to content

Полупрямой продукт

(Перенаправлено с )

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

  • Внутреннее нормальной полупрямое произведение — это особый способ группы составления из двух подгрупп , одна из которых является 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 ).

Определения внутреннего полупрямого продукта

[ редактировать ]

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 ).

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

[ редактировать ]

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 ]

  • Базовый набор — это произведение N × H. декартово
  • 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 изоморфную ) изоморфную N , а пары eN , образуют нормальную подгруппу , h ) образуют подгруппу, H. ( Полная группа является полупрямым произведением этих двух подгрупп в указанном ранее смысле.

Обратно, 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, n лежит в N , а h лежит в H. где 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 .

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

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

Группа диэдра

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

В более общем смысле, полупрямое произведение любых двух циклических групп Cm a с генератором и Cn с , генератором b 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

[ редактировать ]

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

Основная группа бутылки Клейна.

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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)

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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 содержатся в качестве подмножества пространственной группы, что и является причиной большей сложности их анализа. [ 5 ]

Непримеры

[ редактировать ]

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 .

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 .

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 созданный . 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 .

Характеристики

[ редактировать ]

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

Отношение к прямым продуктам

[ редактировать ]

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

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

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 посредством нетривиального гомоморфизма никогда не будет абелевой группой , даже если фактор-группы абелевы.

Неединственность полупрямых произведений (и дальнейшие примеры)

[ редактировать ]

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 зависит от выбора действия H на N. полупрямое произведение также

Например, существуют четыре неизоморфные группы порядка 16, которые являются полупрямыми произведениями C 8 и C 2 ; в этом случае C8 обязательно является нормальной подгруппой , поскольку она имеет индекс 2. Одно из этих четырех полупрямых произведений является прямым произведением, а остальные три — 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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

Обычно полупрямое произведение группы H, действующей 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 lраз 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

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  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. ^ Jump up to: 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.
  • 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
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c1f28f222030726c85b2b34cbaadb675__1723260300
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c1/75/c1f28f222030726c85b2b34cbaadb675.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Semidirect product - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)