Прямий добуток груп — операція, яка за групами і будує нову групу, яку зазвичай позначають як . Ця операція є теоретико-груповим аналогом декартового добутку множин та одним з основних прикладів поняття прямого добутку.

У контексті абелевих груп прямий добуток іноді називають прямою сумою та позначають . Прямі суми відіграють важливу роль у класифікації абелевих груп: згідно з теоремою про структуру скінченнопороджених абелевих груп, будь-яку скінченнопороджену абелеву групу можна розкласти в пряму суму циклічних груп.

Визначення Якщо і  — групи з операціями і відповідно, той прямий добуток визначається так:Отриманий алгебричний об'єкт задовольняє аксіомам групи:

Асоціативність бінарної операції Бінарна операція на асоціативна, що перевіряється покомпонентно. Існування одиничного елемента Прямий добуток має одиничний елемент , де  — одиничний елемент і  — одиничний елемент . Існування оберненого елемента Обернений елемент до елемента у  — це пара , де є оберненим до в , а  — оберненим до в .

Приклади

Нехай  — група дійсних чисел із операцією додавання. Тоді прямий добуток  — група всіх двокомпонентних векторів з операцією додавання векторів: . Нехай  — група додатних дійсних чисел із операцією множення. Тоді прямий добуток  — група всіх векторів у першій координатній чверті з операцією покомпонентного множення: . Нехай і  — циклічні групи, кожна з яких містить два елементи: + * 1 a 1 1 a a a 1 + * 1 b 1 1 b b b 1 Тоді прямий добуток ізоморфний 4-групі Кляйна: + * (1,1) (a,1) (1, b) (a, b) (1,1) (1,1) (a,1) (1, b) (a, b) (a,1) (a,1) (1,1) (a, b) (1, b) (1, b) (1, b) (a, b) (1,1) (a,1) (a, b) (a, b) (1, b) (a,1) (1,1)

Елементарні властивості

Алгебрична структура Нехай і  — групи, а . Розглянемо наступні дві підмножини :

і .

Обидві ці підмножини є підгрупами , при цьому канонічно ізоморфна , а канонічно ізоморфна . Якщо ми ототожнимо їх із і відповідно, ми зможемо вважати, що прямий добуток містить початкові групи і як підгрупи.

Зазначені підгрупи мають такі три важливі властивості:

Перетин тривіальний. Кожен елемент із можна однозначно подати як добуток елемента з та елемента з . Кожен елемент із комутує з кожним елементом із .

Разом ці три властивості повністю визначають алгебричну структуру прямого добутку . Іншими словами, якщо  — будь-яка група, що має підгрупи і , що задовольняють зазначені вище властивості, то ізоморфна прямому добутку і . У цій ситуації іноді називають внутрішнім прямим добутком її підгруп і .

У деяких випадках третя з наведених властивостей замінюється такою:

3′. і нормальні в .

Ця властивість еквівалентна властивості 3, оскільки елементи двох нормальних підгруп із тривіальним перетином обов'язково комутують, що можна довести, розглядаючи комутатор , де  — будь-який елемент у , а  — будь-який елемент у .

Приклади внутрішнього прямого добутку

Задання прямого добутку Алгебричну структуру можна використати для задання прямого добутку за допомогою задань і . Зокрема, припустимо, що

і

де і  — (неперетинні) породжувальні множини групи, а і  — множини співвідношень між породжувальними. Тоді

де  — множина співвідношень, які визначають, що кожен елемент у комутує з кожним елементом у .

Наприклад, якщо

і

то

Нормальна структура Як згадано вище, підгрупи і нормальні в . Зокрема, можна визначити функції і формулами

і .

Тоді і є гомоморфізмами проєкції з ядрами і відповідно.

З цього виходить що  — розширення за допомогою (або навпаки). У випадку, коли  — скінченна група, композиційні фактори групи є точно об'єднанням композиційних факторів групи та композиційних факторів групи .

Інші властивості

Універсальна властивість Прямий добуток можна схарактеризувати такою універсальною властивістю. Нехай і  — гомоморфізм проєкції. Тоді для будь-якої групи та будь-яких гомоморфізмів і існує єдиний гомоморфізм , що відповідає такій комутативній діаграмі:

Іншими словами, гомоморфізм задається формулою

.

Це окремий випадок універсальної властивості для добутків у теорії категорій.

Підгрупи Якщо  — підгрупа і  — підгрупа , то прямий добуток є підгрупою . Наприклад, ізоморфною копією в є добуток , де  — тривіальна підгрупа .

Якщо і нормальні, то  — нормальна підгрупа в . Більш того, фактор-група прямих добутків ізоморфна прямому добутку часток:

.

Зверніть увагу, що, взагалі кажучи, неправда, що кожна підгрупа з є добутком підгрупи з та підгрупи з . Наприклад, якщо  — будь-яка нетривіальна група, то добуток має

яка не є прямим добутком двох підгруп .

Підгрупи прямих добутків описує .

Спряженість та централізатори Два елементи і спряжені в тоді й лише тоді, коли і спряжені в і одночасно і спряжені в . Звідси випливає, що кожен клас спряженості в є декартовим добутком класу спряженості в і класу спряженості в .

Аналогічно, якщо , то централізатор є добутком централізаторів і :

.

Також центр є добутком центрів і :

.

Нормалізатори поводяться складніше, оскільки всі підгрупи прямих добутків самі розкладаються на прямі добутки.

Автоморфізми та ендоморфізми Якщо  — автоморфізм , а  — автоморфізм , то добуток функцій , що визначається формулою

є автоморфізмом . З цього випливає, що містить у собі підгрупу, ізоморфну прямому добутку .

У загальному випадку неправда, що кожен автоморфізм має вищезгаданий вигляд. Наприклад, якщо  — будь-яка група, то існує автоморфізм групи , який міняє місцями два множники, тобто

.

Інший приклад: групою автоморфізмів групи є є група всіх матриць розміру зі цілочисельними значеннями та визначником, рівним . Ця група автоморфізмів нескінченна, але лише скінченна кількість автоморфізмів задаються як .

Загалом, кожен ендоморфізм можна записати у вигляді матриці розміру

де  — ендоморфізм ,  — ендоморфізм , а і  — гомоморфізми. Ця матриця повинна мати властивість, що кожен елемент образу комутує з кожним елементом образу , а кожен елемент образу комутує з кожним елементом образу .

Коли і  — нерозкладні групи з тривіальними центрами, то група автоморфізмів прямого добутку відносно проста: , якщо і не ізоморфні, та , якщо , де позначає . Це частина , в загальному випадку вона справедлива для скінченних прямих добутків.

Узагальнення

Скінченні прямі добутки Можна знайти прямий добуток більш ніж двох груп одночасно. Для скінченної послідовності груп прямий добуток

визначають так:

Він має багато властивостей, які має прямий добуток двох груп, і може бути алгебрично схарактеризованим в аналогічний спосіб.

Нескінченні прямі добутки Також можна отримати прямий добуток нескінченної кількості груп. Для нескінченної послідовності груп його можна визначити так само, як для скінченного прямого добутку, з елементами нескінченного прямого добутку, що є нескінченними кортежами.

У загальнішому сенсі, для індексованого сімейства груп прямий добуток визначають так:

На відміну від скінченного прямого добутку, нескінченний прямий добуток не породжується елементами ізоморфних підгруп . Натомість ці підгрупи породжують підгрупу прямого добутку, відому як нескінченна пряма сума, яка складається з усіх елементів, що мають лише скінченне число неодиничних компонентів.

Інші добутки

Напівпрямі добутки

Нагадаємо, що група з підгрупами і ізоморфна прямому добутку і , якщо вона задовольняє такі три умови:

Перетин є тривіальною групою. Кожен елемент із можна однозначно подати як добуток елемента з та елемента з . І , і є нормальними в .

Напівпрямий добуток і отримують ослабленням третьої умови, так що тільки одна з двох підгруп , має бути нормальною. Отриманий добуток, як і раніше, складається з упорядкованих пар , але з трохи складнішим правилом множення.

Також можна повністю послабити третю умову, не вимагаючи від жодної з підгруп нормальності. У цьому випадку групу називають груп і .

Вільні добутки Вільний добуток груп і , що зазвичай позначають як , схожий на прямий добуток, за винятком того, що підгрупи і групи не мусять комутувати. А саме, якщо

і ,

є заданнями і , то

.

На відміну від прямого добутку елементів вільного добутку не можна представити впорядкованими парами. До того ж вільний добуток будь-яких двох нетривіальних груп нескінченний. Дивно, але вільний добуток є кодобутком у категорії груп.

Підпрямі добутки Якщо і  — групи, то підпрямим добутком і є будь-яка підгрупа , яка відображається сюр'єктивно в і під впливом гомоморфізмів проєкції. Згідно з , кожен підпрямий добуток розшарований.

Розшаровані добутки Нехай , і  — групи, і нехай і  — гомоморфізми. Розшарований добуток і над являє собою таку підгрупу :

.

Якщо і  — епіморфізми, то це підпрямий добуток.

Примітки

Література

Українською

Іншими мовами

. . Lang, Serge (2002), Algebra, Graduate Texts in Mathematics, vol. 211 (Revised third ed.), New York: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-95385-4, MR 1878556 . .