Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В математике , особенно в теории групп , понятие полупрямого продукта является обобщением прямого продукта . Есть два тесно связанных понятия полупрямого продукта:

  • внутреннее Полупрямое продукт представляет собой конкретный способ , в котором группа может состоять из двух подгрупп , одна из которых является нормальной подгруппой .
  • наружное Полупрямое продукт представляет собой способ построить новую группу из двух заданных групп с помощью декартово произведения в виде набора и конкретная 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 , то теорема Шуры-Цассенхауз дает достаточное условие для существования разложения в качестве полупрямого продукта (также известного как расширение расщепления ).

Внутренние полупрямые определения продукта [ править ]

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

  • G - это произведение подгрупп , G = NH , и эти подгруппы имеют тривиальное пересечение: NH = { e } .
  • Для каждого gG существуют единственные nN и hH такие, что g = nh .
  • Для каждого gG существуют единственные hH и nN такие, что g = hn .
  • Состав ля естественного вложения I : HG с естественной проекции П : GG / N является изоморфизмом между Н и фактор - группы G / N .
  • Там существует гомоморфизм GH , тождественный на H и чье ядро представляет Н . Другими словами, есть точная последовательность
групп (также известное как групповое расширение by ).

Если какой - либо из этих утверждений (и , следовательно , все из них имеют, по их эквивалентности), мы говорим , G является полупрямым произведением из N и H , письменность

или же

или что G разбивается на N ; один также говорит , что G является полупрямым произведением Н , действующее на N , или даже полупрямым произведением H и N . Чтобы избежать двусмысленности, рекомендуется указать, какая подгруппа является нормальной.

Внутренние и внешние полупрямые продукты [ править ]

Рассмотрим сначала внутреннее полупрямое произведение. В этом случае для группы рассмотрим ее нормальную подгруппу N и подгруппу H (не обязательно нормальную). Предположим, что выполнены условия из приведенного выше списка. Пусть Аи ( Н ) обозначим группу всех автоморфизмов из N , который представляет собой группу относительно композиции. Построить групповой гомоморфизм φ : H → Aut ( N ), определенный сопряжением φ ( h ) ( n ) = hnh −1 для всех h из H и nв N . Выражение φ ( h ) часто для краткости записывается как φ h . Таким образом , мы можем построить группу с групповой операцией определяется как для п 1 , п 2 в N и ч 1 , ч 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 внутреннее полупрямое произведение (также известное как внутреннее полупрямое произведение [1] ).

Рассмотрим теперь внешнее полупрямое произведение. Принимая во внимание любые две группы N и H , и гомоморфизм групп ф : Н → Aut ( N ) , мы можем построить новую группу Nф H , называемый наружный Полупрямое продукт из N и H по отношению к ф , определяется следующим образом : [ 2]

  • , Лежащая в основе множество является декартово произведение N × Н .
  • Групповая операция определяется гомоморфизмом φ :
    для п 1 , п 2 в N и ч 1 , ч 2 в H .

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

С другой стороны , предположим , что нам дана группа G с нормальной подгруппы N и подгруппы H , таким образом, что каждый элемент г из G может быть записана единственным образом в виде г = NH , где п лежит в N и H лежит в H . Пусть φ : H → Aut ( N ) - гомоморфизм (обозначается φ ( h ) = φ h ), задаваемый формулой

для всех пN , чH .

Тогда G изоморфна полупрямому произведению Nф H . Изоморфизм λ : GNφ H корректно определяется формулой λ ( a ) = λ ( nh ) = ( n, h ) в силу единственности разложения a = nh .

В G мы имеем

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

что доказывает, что λ - гомоморфизм. Поскольку λ , очевидно, эпиморфизм и мономорфизм, то это действительно изоморфизм. Это также объясняет определение правила умножения в Nф Н .

Прямое произведение - это частный случай полупрямого произведения. Чтобы убедиться в этом, пусть φ будет тривиальный гомоморфизм (то есть, посылая каждый элемент H в тождественный автоморфизм N ) , то Nф Н является прямым произведением N × Н .

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

и группа гомоморфизм & gamma : НG таким образом, что & alpha ; ∘ & gamma = идентификатор Н , то 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 , так как С п является абелевой . Презентации для этой группы:

Циклические группы [ править ]

В более общем смысле, полупрямое произведение любых двух циклических групп C m с образующей a и C n с образующей b задается одним дополнительным соотношением aba −1 = b k , где k и n взаимно просты ; то есть презентация: [3]

Если r и m взаимно просты, a r является генератором C m и a r ba −r = b k r , отсюда представление:

дает группу, изоморфную предыдущей.

Голоморф группы [ править ]

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

где есть группа автоморфизмов группы и структура карта происходит от правильного действия на . С точки зрения умножения элементов это дает структуру группы

Фундаментальная группа бутылки Клейна [ править ]

Фундаментальная группа из бутылки Клейна может быть представлена в виде

и поэтому является полупрямое произведение группы целых чисел, , с . Соответствующий гомоморфизм φ : ℤ → Aut (ℤ) задается формулой φ ( h ) ( n ) = (−1) h n .

Верхние треугольные матрицы [ править ]

Группа верхних треугольных матриц [ разъяснение необходимости ] с ненулевым определителем , то есть с ненулевыми элементами на диагонали , имеет разложение в полупрямое произведение [4] , где есть подгруппа матриц только с «на диагонали , которая называется верхней унитреугольной группой матриц и является подгруппой диагональных матриц . Групповое действие on индуцируется умножением матриц. Если мы установим

и

то их произведение матриц является

Это дает индуцированное групповое действие

Матрица в может быть представлена ​​матрицами в и . Следовательно .

Группа изометрий на плоскости [ править ]

Евклидова группа всех жестких движений ( изометрий ) плоскости (карты F : ℝ 2 → ℝ 2 таким образом, что евклидово расстояние между х и у равна расстоянию между F ( х ) и F ( у ) для всех х и у в 2 ) изоморфна полупрямое произведение абелевой группы 2 (который описывает переводы) и группы O (2) из ортогонального 2 × 2матрицы (которые описывают вращения и отражения, сохраняющие исходную точку фиксированной). Применение смещения, а затем поворота или отражения имеет тот же эффект, что и применение сначала поворота или отражения, а затем смещения с помощью повернутого или отраженного вектора смещения (т. Е. Применение конъюгата исходного смещения). Это показывает, что группа трансляций является нормальной подгруппой евклидовой группы, что евклидова группа является полупрямым произведением группы трансляций и O (2) и что соответствующий гомоморфизм φ : O (2) → Aut (ℝ 2 ) задается умножением матриц : φ ( h ) ( n ) = hn.

Ортогональная группа O (n) [ править ]

Ортогональная группа О ( п ) все ортогонального реального п × п матриц (интуитивно множества всех вращений и отражений п - мерного пространства , которые держат происхождение фиксированного) изоморфен полупрямым произведение группы SO ( п ) ( в составе всех ортогональных матриц с определителем 1 , интуитивно это вращения n- мерного пространства) и C 2 . Если представить C 2 как мультипликативную группу матриц { I , R } , где Rявляется отражением n- мерного пространства, в котором начало координат сохраняется (т.е. ортогональная матрица с определителем –1, представляющая инволюцию ), тогда 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 тождество) это означает, что φ ( H ) сопряжение операций отражением (в трехмерном пространстве ось вращения и направление вращения заменяются их «зеркальным отображением»).

Полулинейные преобразования [ править ]

Группа полулинейных преобразований на векторном пространстве V над полем 𝕂 , часто обозначаемая ΓL ( V ) , изоморфна полупрямому произведению линейной группы GL ( V ) ( нормальной подгруппы в ΓL ( V ) ) и автоморфизма группа из 𝕂 .

Кристаллографические группы [ править ]

В кристаллографии пространственная группа кристалла расщепляется 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 подмножество пространственной группы, что во многом усложняет их анализ. [5]

Не примеры [ править ]

Есть много групп, которые не могут быть выражены как полупрямое произведение групп, но содержат нетривиальную нормальную подгруппу. Конечно, каждая простая группа не может быть выражена как полупрямое произведение, но есть и несколько общих контрпримеров. Заметим, что хотя не всякая группа может быть выражена как расщепленное расширение by , оказывается, что такая группа может быть вложена в сплетение по универсальной теореме вложения .

Z 4 [ править ]

Циклическая группа не является простой группой, поскольку она имеет подгруппу порядка 2, а именно является подгруппой, а их фактор равен , поэтому существует расширение

Если добавочный номер был разделен , то группа в

был бы изоморфен .

Q 8 [ править ]

Группа из восьми кватернионов, где и , является еще одним примером группы [6], которая имеет нетривиальные подгруппы, но все еще не расщеплена. Например, подгруппа, порожденная, изоморфна и нормальна. Он также имеет подгруппу порядка, генерируемую . Это будет означать, что в

чего не может быть. Это можно показать, вычислив первую группу когомологий группы с коэффициентами в , так что и отметив, что две группы в этих расширениях - это и группа диэдра . Но поскольку ни одна из этих групп не изоморфна , группа кватернионов не расщепляется. Это отсутствие изоморфизмов можно проверить, отметив, что тривиальное расширение абелево, в то время как неабелева, и отметив, что единственными нормальными подгруппами являются и , но есть три подгруппы, изоморфные .

Свойства [ править ]

Если G является полупрямым произведением нормальной подгруппы N и подгруппы H , и оба Н и Н являются конечными, то порядок из G равен произведению порядков N и H . Это следует из того факта , что G имеет тот же порядок, что и внешний полупрямое произведение N и H , чье основное множество является декартово произведение N × Н .

Отношение к прямым продуктам [ править ]

Предположим , что G является полупрямым произведением нормальной подгруппы N и подгруппы H . Если Н также нормально в G , или , что эквивалентно, если существует гомоморфизм GN , тождественный на N с ядром H , то G является прямым произведением из N и H .

Прямое произведение двух групп N и H можно рассматривать как полупрямое произведение N и H по отношению к ф ( ч ) = Id N для всех ч в H .

Обратите внимание , что в прямом произведении, порядок факторов , не важно, так как N × H изоморфна 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 является абелевой группой , даже если фактор-группы абелевы.

Неуникальность полупрямых продуктов (и другие примеры) [ править ]

В отличие от случая с прямым произведением , полупрямое произведение двух групп, как правило, не является уникальным; если G и G ' , две группы , которые оба содержат изоморфные копии N в качестве нормальной подгруппы и H в качестве подгруппы, и оба полупрямое произведение N и H , то это не следует , что G и G' , являются изоморфными , поскольку полупрямое продукт также зависит от выбора действия H на N .

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

  • диэдральная группа порядка 16
  • quasidihedral группа порядка 16
  • группа Ивасава порядка 16

Если данная группа является полупрямым продуктом, то нет гарантии, что это разложение уникально. 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 ) ≅ (С 2 ⋉ D 12 ) ≅ (D 6 ⋉ V ) . [7]

Существование [ править ]

В общем, не существует известной характеристики (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 фактор-группы .

Например, из теоремы Шура – ​​Цассенхауза следует существование полупрямого произведения среди групп порядка 6; существует два таких произведения, одно из которых является прямым произведением, а другое - группой диэдра. Напротив, теорема Шура – ​​Цассенхауза ничего не говорит о группах порядка 4 или, например, о группах порядка 8.

Обобщения [ править ]

В рамках теории групп построение полупрямых произведений может быть продвинуто намного дальше. Продукт Заппа-Сеп групп является обобщением , что в своей внутренней версии, не предполагает , что либо подгруппа нормальна.

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

Для геометрии также существует скрещенное произведение для групповых действий в топологическом пространстве ; к сожалению, она, вообще говоря, некоммутативна, даже если группа абелева. В этом контексте полупрямое произведение - это пространство орбит действия группы. Последний подход отстаивал Ален Конн как замену подходам, основанным на традиционных топологических методах; cf некоммутативная геометрия .

В теории категорий есть также далеко идущие обобщения . Они показывают, как создавать расслоенные категории из индексированных категорий . Это абстрактная форма построения внешнего полупрямого продукта.

Группоиды [ править ]

Другое обобщение - для группоидов. Это происходит в топологии, потому что, если группа G действует в пространстве X, она также действует на фундаментальном группоиде π 1 ( X ) этого пространства. Полупрямое произведение π 1 ( Х ) ⋊ G тогда отношение к нахождению фундаментального группоида в пространстве орбит X / G . Для получения полной информации см. Главу 11 книги, на которую имеется ссылка ниже, а также некоторые подробности в полупрямом продукте [8] в ncatlab .

Абелевы категории [ править ]

Нетривиальные полупрямые произведения не возникают в абелевых категориях , таких как категория модулей . В этом случае лемма о расщеплении показывает, что каждое полупрямое произведение является прямым произведением. Таким образом, существование полупрямых продуктов отражает неспособность категории быть абелевой.

Обозначение [ править ]

Обычно полупрямое произведение группы H , действующей на группу N (в большинстве случаев путем конъюгации как подгруппы общей группы) обозначаются NH или HN . Однако некоторые источники [ какие? ] может использовать этот символ с противоположным значением. В случае , если действие φ : H → Aut ( N ) должны быть четкими, один пишет Nф H . Один из способов мышления о NH символа в виде комбинации символов для нормальной подгруппы ( ) и символ продукта ( × ). Барри Саймон в своей книге по теории представлений групп [9] использует необычные обозначения для полупрямого произведения.

Unicode перечисляет четыре варианта: [10]

Здесь Unicode-описание символа rtimes говорит о «правильном нормальном множителе», в отличие от его обычного значения в математической практике.

В LaTeX команды \ rtimes и \ ltimes создают соответствующие символы.

См. Также [ править ]

  • Аффинная алгебра Ли
  • Конструкция Гротендика , категориальная конструкция, обобщающая полупрямое произведение
  • Голоморф
  • Полупрямая сумма алгебры Ли
  • Подпрямой продукт
  • Венок
  • Заппа – Сеп продукт

Примечания [ править ]

  1. ^ DS Dummit и RM Фут (1991), Абстрактная алгебра , Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 142.
  2. ^ Робинсон, Дерек Джон Скотт (2003). Введение в абстрактную алгебру . Вальтер де Грюйтер. С. 75–76. ISBN 9783110175448.
  3. ^ а б Мак-Лейн, Сондерс ; Биркофф, Гарретт (1999). Алгебра (3-е изд.). Американское математическое общество. С. 414–415. ISBN 0-8218-1646-2.
  4. ^ Милн. Алгебраические группы (PDF) . стр. 45, полупрямые изделия.
  5. ^ Томпсон, Ник. «Неприводимые зоны Бриллюэна и ленточные структуры» . bandgap.io . Проверено 13 декабря 2017 года .
  6. ^ "абстрактная алгебра - Может ли всякая непростая группа $ G $ быть записана как полупрямое произведение?" . Обмен математическими стеками . Проверено 29 октября 2020 .
  7. Перейти ↑ HE Rose (2009). Курс конечных групп . Springer Science & Business Media. п. 183. ISBN. 978-1-84882-889-6. Обратите внимание, что Роуз использует условные обозначения, противоположные принятым на этой странице (стр. 152).
  8. ^ Ncatlab.org
  9. ^ Б. Саймон (1996). Представления конечных и компактных групп . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. п. 6. ISBN 0-8218-0453-7.
  10. ^ См. Unicode.org

Ссылки [ править ]

  • Р. Браун, Топология и группоиды, Booksurge 2006. ISBN 1-4196-2722-8