可除群の構造定理
うーん。毎日記事を書いている人って、本当に天才ですね。
世間の人気ブロガーが毎日毎日カタカタと証明を打ち込んでいるのかと思うととても真似できないなあと思います。
ベタな話題というか、かなり標準的な話になってしまうのですが
あんまり可除群の構造定理の記事がないなあと思ったので、みんな知っていそうですがこの記事を書こうかなあと思いました。
実際「有限生成アーベル群の構造定理」で検索するとダーっと記事が出てきますが、
「可除群の構造定理」で検索してもWikipediaの記事が一番上に出てくる他は全部有限生成アーベル群の構造定理の記事です。 (完全に乗っ取られている)
可除群の定義
一応定義を書いておきます。
定義
アーベル群が可除群(divisible group)であるとは,
各元について方程式が任意のに対して解を持つときを言う.
可除加群の例
- これは定番です。
- Prüfer群と呼ばれる群です。
- よく出てきますが、実はこれはPrüfer群の直和 .
- これはねじれ部分とねじれなし部分の直和に分けることができます。ねじれ部分は代表元が有理数の部分つまりで、ねじれのない部分は代表元が無理数の部分で実はの直和になります。
こういう事実を含む一般的な定理があって可除群は分類されています。
可除群の構造定理
定理
可除群は
と分解される.
証明のために次の事実を使います。
- 可除であることと移入的であることは同値。
- 移入的な部分群は直和因子である。
- ねじれ群は-ねじれ部分(位数が冪の元全体)の直和に分かれる。
「移入的 可除」は任意の-加群で正しいですが、「可除 移入的」はDedekind環上で正しい事実です。
定理の証明
可除群のねじれ部分も可除なので直和因子であり, とかける. と-ねじれ部分に分解する.
1. ねじれ部分
任意の元に対してで生成される部分群を考える.
の位数をとするとき, の和で生成される部分群 はPrüfer群 と同型である.
実際 を
によって定めればこれは同型である.
の部分群であっての直和であるようなもの全体をとし,
「がの直和因子」によって順序を定めると,
各元に対して上の事実からそれを含むと同型な部分群が存在しては空でなく, また任意の増大列には和集合を取ることで上界が存在するから, Zornの補題によってには極大元が存在する.
ここでは可除群の直和であって可除であるからこれも直和因子. と表せる.
の各元についてを含むようなと同型な部分群があるから, もに含まれ, の極大性から.
でなければならない.
こうしてはの直和でかける.
2. ねじれなし部分
証明はねじれ部分と類似である. の各元について,
は任意ので解を持つ. またがねじれを持たないから解は一意に決まるから, はwell-definedであって, しかも同型であることが確かめられる.
上と同じようにの部分群であっての直和であるようなもの全体をとし,
「がの直和因子」によって順序を定めると, その極大元はと一致する.
あともう少しだけ。
さらにこの直和の濃度がそれぞれ一意的であることも示すことができます。これはベクトル空間の次元の一意性と同じ証明です。
実際この直和の濃度を独立集合(independent set)の濃度と考えることができるからです。
定義
アーベル群の部分集合が独立集合であるとは, 任意の個の元の線形結合について
を満たすことを言う.
ねじれなし元からなる独立集合のうちで極大なものの濃度は、前回の記事で書いたねじれランクと呼ばれます。一般に極大な独立集合の濃度をアーベル群のランクと言います。
この記事はまた編集するかもしれないので、一応暫定版ということにします。
実は可除群の構造定理の証明をちゃんと読んだことがなかったのでブログはいい機会になります。皆さんもぜひブログを書いてみてください。(これ誰に言っているのか分からないけど)
参考文献は例によってFuchsです。
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