Produkt von Moduln

Produkt von Moduln

In vielen Gebieten der Mathematik spielen direkte Produkte (– oder einfach – Produkte) und Koprodukte der betrachteten Objekte eine besondere Rolle. Die Konstruktion solcher Produkte von Objektfamilien fußt oft auf dem kartesischen Produkt von Mengen. In der Mengenlehre wird das kartesische Produkt einer Familie von Mengen  (A_i|i \in I) folgendermaßen definiert:


\begin{align}
\prod_{i\in I}A_{i}:&= \{ a:I \rightarrow \bigcup_{i\in I} A_i| a(i)\in A_i \quad \forall i\in I \}
\end{align}

Sind die Ai alles Rechtsmoduln über dem unitären Ring R, so hat \textstyle \prod_{i\in I} A_{i} eine Modulstruktur. Dies ist das Produkt der Modulfamilie  (A_i| i\in I) .

Inhaltsverzeichnis

Definition des Produktes

Produkt von Moduln

Ist  (A_i|i \in I) eine Familie von Rechtsmoduln über dem Ring R so heißt \textstyle \prod_{i\in I} A_i das Produkt der Moduln. Ist \textstyle a\in \prod_{i\in I} A_i , so heißt a(i) die i-te Komponente von a. Das Produkt \textstyle \prod_{i\in I} A_i erhält durch die folgenden beiden Verknüpfungen eine Modulstruktur.


\begin{align}
+& : \prod\limits_{i\in I} A_i \times \prod\limits_{i\in I} A_i\ni (a,b) \mapsto a+b \in \prod\limits_{i\in I} A_i,\quad \mbox{ wobei } (a+b)(i) := a(i) + b(i),\, i\in I\\
\cdot& :\prod\limits_{i\in I} A_i \times R \ni (a,r) \mapsto a\cdot r \in \prod\limits_{i\in I} A_i,\quad \mbox{ wobei } (a\cdot r)(i) := a(i)\cdot r,\, i\in I
\end{align}

Ist die Funktion \textstyle a\in \prod_{i\in I} A_i , so schreibt man dafür oft (ai), analog wie das bei reellen Zahlenfolgen üblich ist[1]. Dabei ist ai = a(i) die i-te Komponente. Man addiert also komponentenweise und mit den Skalaren wird komponentenweise multipliziert.

Universelle Eigenschaft des Produktes

Ist \textstyle P=\prod_{i\in I}A_{i} das Produkt der Moduln Ai so bilden die Funktionen


\pi_i \colon \prod\limits_{i\in I}A_{i} \ni (a_i) \mapsto a_i \in A_{i}

das Produkt \textstyle \prod_{i\in I}A_{i} epimorph auf Ai ab. Sie heißen Projektionen. Das Paar \textstyle (\prod_{i\in I}A_{i},(\pi_{i},i\in I)) hat die folgende Eigenschaft:

Zu jedem Rechtsmodul D über R und jeder Familie von Homomorphismen  g_{i}:D\rightarrow  A_{i} gibt es genau einen Homomorphismus \textstyle g \colon D \rightarrow \prod_{i\in I}A_{i} , so dass \pi_{i}\circ g = g_{i} für alle  i\in  I gilt.

In der Kategorientheorie nennt man eine solche Eigenschaft universell, sie kennzeichnet das Produkt von Objekten bis auf Isomorphie, das heißt:

Ist P ein Modul und  p_i:P\rightarrow A_i eine Familie von Homomorphismen und gibt es zu jedem Modul D und jeder Familie  g_i \colon D \rightarrow A_i von Homomorphismen genau ein  g:D \rightarrow P mit  p_i\circ g = g_i, so ist \textstyle P\cong \prod_{i\in I}A_{i} .

Die oben angegebene Konstruktion zusammen mit dem Nachweis der universellen Eigenschaft fasst man auch kurz so zusammen: In der Kategorie der Moduln gibt es Produkte.

Produkt und Hom Funktor

Ist  p_{i}\colon P\rightarrow A_i eine Familie von Homomorphismen, so ist P genau dann ein Produkt der Familie  (A_{i}|i \in I) , wenn der Homomorphismus


\begin{align}
  Hom(M,P)\ni f &\mapsto (p_{i}\circ f)\in \prod_{i\in I}Hom(M,A_i)
\end{align}

für alle Rechtsmoduln M ein Isomorphismus ist. Insbesondere ist:


\begin{align}
  \Phi(M)\colon Hom(M,\prod_{i\in I}A_{i}) \ni f &\mapsto (\pi_{i}\circ f)\in
  \prod_{i\in I}Hom(M,A_i)
\end{align}

eine natürliche Transformation, die für jeden Modul M ein Isomorphismus ist. Φ(M) ist ein funktorieller Isomorphismus.

Beispiele, Bemerkungen, Bezeichnungen

  1. Ist für alle  i \in I:  A_{i}= A , so schreibt man \textstyle A^{I}:= \prod_{i\in I}A_{i} und nennt dies eine Potenz von A.
  2. Für jede Indexmenge I ist RI sogar ein Ring, wenn man komponentenweise multipliziert. RI ist auf der linken und rechten Seite ein Modul über dem Ring R. Die Diagonalabbildung R\ni r\mapsto (r) \in R^{I} ist ein Homomorphismus der Ringe und der Moduln. Dabei sind alle Komponenten von (r) gleich r.
  3. Ist  U_i\hookrightarrow A_R eine Familie von Untermoduln, so gibt es einen eindeutig bestimmten Homomorphismus \textstyle f: A\rightarrow \prod_{i \in I} A/U_{i} mit  \pi_{i}\circ f = p_i . Dabei ist  (p_i|i \in I) die Familie der kanonischen Homomorphismen von AR auf die Faktormoduln A / Ui. Der Kern dieses Homomorphismus ist \textstyle \bigcap\limits_{i\in I} U_i .
  4. Sind  (A_i|i\in  I) und  (B_i|i \in I) zwei Familien von Moduln und ist  f_i\colon A_i \rightarrow B_i eine Familie von Homomorphismen, so ist die Abbildung  \textstyle \prod f_i\colon \prod_{i\in I} A_i \ni (a_i)\mapsto (f_i(a_i)) \in \prod_{i\in I}B_i ein Homomorphismus. Es ist  \textstyle \operatorname{Kern}(\prod f_i) = \prod_{i\in I}\operatorname{Kern}(f_i) . Weiter ist  \textstyle \operatorname{Bild}(\prod_{i\in I}f_i) = \prod_{i\in I}\operatorname{Bild}(f_i).
  5. Ist auch  \textstyle (C_i|i\in I) eine Familie von Moduln und ist für alle  i\in I die Folge  \textstyle A_i\stackrel{f_i}{\rightarrow } B_i \stackrel{g_i}{\rightarrow }C_i exakt, so ist  \prod_{i\in I} A_i \stackrel{\prod f_i}{\rightarrow } \prod_{i\in I} B_i \stackrel{\prod g_i}{\rightarrow } \prod_{i\in I}C_i exakt.
  6. Sind A,Q Rechtsmoduln, so gibt es einen eindeutig bestimmten Homomorphismus  g: A \rightarrow Q^{Hom(A,Q)} mit  \pi_f \circ g = f für alle  f \in Hom_R(A,Q) . Es ist \textstyle \operatorname{Kern}(g) =\bigcap_{f\in Hom(A,Q)}Kern(f). Ist S = HomR(A,A) der Endomorphismenring von A, so ist  \operatorname{Kern}(g) auf der linken Seite ein S– Untermodul von SA. Ist  \operatorname{Kern}(g) =\{0\} so koerzeugt der Modul QR den Modul AR. Ein Modul, der alle Rechtsmoduln koerzeugt heißt Kogenerator. Der Modul QR ist daher ein Kogenerator, wenn es zu jedem Rechtsmodul AR einen Monomorphismus  A\rightarrow Q^{I} gibt, für eine gewisse Indexmenge I[2].
  7. Ist A eine abelsche Gruppe, so ist A torsionsfrei genau dann, wenn A von  \Q koerzeugt wird.[3]
  8.  \Q/\Z ist ein Kogenerator in der Kategorie der abelschen Gruppen. Dies ist nicht mehr ganz einfach. Es setzt die Theorie der injektiven Moduln voraus. Siehe dazu zum Beispiel [4]

Koprodukt von Moduln

Eine Funktion  \textstyle f\colon I \rightarrow \bigcup_{i\in I} A_i \, , f(i)\in A_i heißt endlichwertig, wenn  \textstyle f(i) \neq 0 nur für endlich viele  \textstyle i \in I gilt. Man meint dasselbe, wenn man sagt  \textstyle f(i)=0 für fast alle  \textstyle i \in I . Die Menge der endlichwertigen Abbildungen aus  \textstyle \prod_{i\in I} A_i wird Koprodukt (oder äußere direkte Summe ) der Familie  \textstyle (A_i|i \in I) genannt und mit  \textstyle \coprod_{i \in I} A_i bezeichnet.  \textstyle \coprod_{i \in I} A_i ist ein Untermodul des Produktes.

Ist  a\in A_j , so sei ηj(a) die folgende Abbildung aus  \coprod_{i \in I}A_i :


\begin{align}
   \eta_j(a)(i)&= \begin{cases}
                0 & \mathrm{falls} \, i \neq j\\
                a & \text{falls}\,  i=j
\end{cases}
  \end{align}

Schreibt man die Abbildung ηj(a) als Tupel, so ist  \eta_j(a) = (\dots 0,a,0,\dots) . An allen Stellen des Tupels steht 0 nur an der j-ten Stelle steht a.

 \eta_j\colon A_j \ni a \mapsto \eta_j(a) \in \coprod_{i \in I} A_i \hookrightarrow \prod_{i \in I} A_i ist der einzige Homomorphismus  f\colon A_j\rightarrow \prod_{i\in I} A_i, welcher folgende Bedingung erfüllt:

  \begin{align}
   \pi_i\circ f&=\begin{cases}
                  0 & \text{falls}\,  i \neq j\\
                  \mathbf{1}_{A_j} &\text{falls }\,  i=j
                \end{cases}
\end{align}

Dies ergibt sich aus der universellen Eigenschaft des Produktes. Die  (\eta_i |i \in I) sind alles Monomorphismen und es ist  \coprod_{i \in I } A_i=\bigoplus_{i \in I}\eta_i(A_i) die direkte Summe der ηi(Ai) in dem Produkt der Ai.

Universelle Eigenschaft des Koproduktes

Ist \textstyle \coprod_{i\in I}A_{i} das Koprodukt der Moduln Ai so bilden die Funktionen


\eta_i \colon A_i\ni a \mapsto \eta_i(a) \in \coprod_{i\in I}A_{i}

die \textstyle A_i monomorph nach  \textstyle \coprod_{i\in I} A_{i} ab. Sie heißen Injektionen. Das Paar \textstyle (\coprod_{i\in I}A_{i},(\eta_{i},i\in I)) hat die folgende Eigenschaft:

Zu jedem Modul DR und jeder Familie von Homomorphismen  g_{i}:A_{i}\rightarrow D gibt es genau einen Homomorphismus \textstyle g \colon \coprod_{i\in I}A_{i}\rightarrow D, so dass g\circ \eta_i = g_{i} für alle  i\in I gilt.

In der Kategorientheorie kennzeichnet diese universelle Eigenschaft das Koprodukt von Objekten bis auf Isomorphie, das heißt:

Ist S ein Modul und  q_i:A_i\rightarrow S eine Familie von Homomorphismen und gibt es zu jedem Modul D und jeder Familie  g_i \colon S \rightarrow D von Homomorphismen genau ein  g\colon S \rightarrow D mit  g_i=g\circ q_i , so ist \textstyle S\cong \coprod_{i\in I}A_{i} .

Die oben angegebene Konstruktion zusammen mit dem Nachweis der universellen Eigenschaft fasst man auch kurz so zusammen: In der Kategorie der Moduln gibt es Koprodukte.

Koprodukt und Hom Funktor

Ist  q_{i}\colon A_{i}\rightarrow Q eine Familie von Homomorphismen, so ist Q genau dann ein Koprodukt der Familie  (A_{i}|i \in I) , wenn der Homomorphismus


\begin{align}
  Hom(Q,M)\ni f &\mapsto (f\circ q_{i})\in \prod_{i\in I}Hom(A_{i},M)
\end{align}

für alle Rechtsmoduln M ein Isomorphismus ist. Insbesondere ist:


\begin{align}
  \Phi(M)\colon Hom(\bigoplus_{i\in I}A_{i},M) \ni f &\mapsto (f\circ\eta_{i})\in
  \prod_{i\in I}Hom(A_{i},M)
\end{align}

ein Φ(M) funktorieller Isomorphismus.

Bezeichnungen und Beispiele

  1. Meist identifiziert man die  \textstyle A_i mit den  \textstyle \eta_i(A_i) in  \textstyle \coprod_{i \in I} A_i . Dann schreibt man  \textstyle \bigoplus_{i\in I} A_i anstelle von  \textstyle \coprod_{i \in I} A_i . Normalerweise ist keine Verwechslung zu befürchten.
  2. Ist  \textstyle A_i = A für alle  \textstyle i \in I so schreibt man  \textstyle A^{(I)} anstelle von  \textstyle \coprod_{i \in I} A_i .
  3. Ist  \textstyle A_i=R für alle  \textstyle i \in I , so ist  \textstyle R^{(I)} ein freier Modul. Eine Basis ist die Familie  \textstyle (e_i|i \in I) mit  \textstyle e_i:= \eta_i(1) .
  4. Ist die Indexmenge  \textstyle I endlich, so sind direkte Summe und direktes Produkt identisch.
  5. Ist E eine endliche Teilmenge von \textstyle I und  \textstyle A =\oplus_{i \in E}A_i , so ist  \textstyle A direkter Summand in  \textstyle \prod_{i\in I}A_i . Der Homomorphismus  \textstyle p=\sum_{i\in E} \eta_i\circ \pi_i\colon \prod_{i\in I}A_i \rightarrow  \prod_{i\in I}A_i erfüllt die Bedingungen  \textstyle p\circ p = p und  \operatorname{Bi}(p) =A . Für unendliche Mengen ist die direkte Summe normalerweise keineswegs direkter Summand im direkten Produkt. So ist  \textstyle \Z^{(\N)} kein direkter Summand in  \textstyle \Z^{\N} . Eine schwierige Frage ist: Für welche Moduln  \textstyle M ist  \textstyle M^{(\N)} direkter Summand im Produkt  \textstyle M^{\N} ? Ist beispielsweise  \textstyle M halbeinfach und endlich erzeugt, so ist dies der Fall.
  6. Sind G,A Rechtsmoduln,so gibt es einen eindeutig bestimmten Homomorphismus  \textstyle g: G^{(Hom(G,A))} \rightarrow A mit  g\circ \eta_f = f für alle  f \in Hom_R(G,A) . Es ist \textstyle \operatorname{Bild}(g) =\sum_{f\in Hom(G,A)}\operatorname{Bild}(f). Ist  \textstyle S=Hom_R(A,A) der Endomorphismenring von  \textstyle A , so ist  \operatorname{Bild}(g) auf der linken Seite ein S– Untermodul von SA. Ist  \textstyle \operatorname{Bild}(g) =A  , so erzeugt der Modul G den Modul A. Ein Modul, der alle Rechtsmoduln erzeugt heißt Generator. Der Modul  \textstyle G ist daher ein Generator, wenn es zu jedem Rechtsmodul A einen Epimorphismus  \textstyle G^{(I)}\rightarrow A gibt, für eine gewissen Indexmenge  \textstyle I . Da jeder Modul das epimorphe Bild eines freien Moduls ist, ist  \textstyle R_R ein Generator.

Zwei wichtige Sätze

Ein Zerlegungssatz Satz von Kaplansky

Sei c eine unendliche Kardinalzahl. Ist der Modul M direkte Summe von c erzeugbaren Untermoduln, so ist jeder direkte Summand von M direkte Summe von c erzeugbaren Untermoduln.

Der wichtigste Fall ist: Ist M direkte Summe von abzählbar erzeugten Untermoduln, so hat jeder direkte Summand diese Eigenschaft. In dieser Form hat Irving Kaplansky den Satz ursprünglich bewiesen. Daraus folgt beispielsweise, dass jeder projektive Modul direkte Summe von abzählbar erzeugten Moduln ist. Will man daher Struktursätze über projektive Moduln beweisen, so kann man sich Dank Kaplansky auf abzählbar erzeugte beschränken. Jeder projektive Modul ist ja direkter Summand in einem freien Modul.

Der Zerlegungssatz von Krull-Remak-Schmidt-Azmaya

Seien  M= \oplus_{i \in I}M_i \cong \oplus_{j\in J} N_j zwei Zerlegungen von M. Sind die Endomorphismenringe aller Mi lokal und sind alle Nj unzerlegbar, so gibt es eine Bijektion  \alpha\colon I \rightarrow J mit  M_i \cong N_{\alpha(i)} für alle  i \in I .

Dieser Satz verallgemeinert viele wichtige Sätze. So zum Beispiel:

  • Je zwei Basen eines Vektorraumes haben gleiche Mächtigkeit.
  • Die Zerlegung eines halbeinfachen Moduls in eine direkte Summe von einfachen Moduln ist im Sinne des Satzes eindeutig.
  • Der Zerlegungssatz von Satz von Krull-Remak-Schmidt für Moduln endlicher Länge.

Einzelnachweise

  1. Friedrich Kasch Moduln und Ringe. Teubner, Stuttgart 1977, Seite 77 ISBN 3-519-02211-7
  2. Robert Wisbauer, Grundlagen der Modul – und Ringtheorie , Verlag Reinhard Fischer, München 1988 Seite 112 ISBN 3-88927-044-1
  3. Frank W. Anderson, Kent R. Fuller , Rings and Categories of modules Springe, New York Berlin Heidelberg, 1992, Seite 106, ISBN 0-387-97845-3
  4. Friedrich Kasch Moduln und Ringe. Teubner, Stuttgart 1977, Seite 127 ISBN 3-519-02211-7

Literatur

  • Frank W. Anderson and Kent R. Fuller: Rings and Categories of Modules. Springer, New-York 1992, ISBN 0-387-97845-3
  • Friedrich Kasch: Moduln und Ringe.. Teubner, Stuttgart 1977, ISBN 3-519-02211-7
  • Robert Wisbauer: Grundlagen der Modul- und Ringtheorie.. Reinhard Fischer, München 1988, ISBN 3-88927-044-1

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