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In der Mathematik ist ein direktes Produkt eine mathematische Struktur, die mit Hilfe des kartesischen Produkts aus vorhandenen mathematischen Strukturen gebildet wird. Wichtige Beispiele sind das direkte Produkt von Gruppen, Ringen und anderen algebraischen Strukturen, sowie direkte Produkte von nichtalgebraischen Strukturen wie topologischen Räumen.

Allen direkten Produkten algebraischer Strukturen ist gemeinsam, dass sie aus einem kartesischen Produkt der bestehen und die Verknüpfungen komponentenweise definiert sind.

Inhaltsverzeichnis

Direktes Produkt von GruppenBearbeiten

Im Prinzip gilt das Folgende für beliebige Gruppen. Wird die Verknüpfung aber als Addition bezeichnet, was bei vielen kommutativen Gruppen üblich ist, so heißt das hier besprochene Konstrukt meist direkte Summe.

Äußeres und inneres direktes ProduktBearbeiten

Man unterscheidet das sogenannte äußere direkte Produkt von Gruppen einerseits und das innere direkte Produkt von Untergruppen einer gegebenen Gruppe andererseits. Die folgenden Ausführungen beschreiben das äußere direkte Produkt. Dabei wird aus zwei oder mehr Gruppen eine neue Gruppe konstruiert, die man das direkte Produkt der gegebenen Gruppen nennt. Das innere direkte Produkt von Untergruppen wird im Artikel Normalteiler behandelt.

Direktes Produkt von zwei GruppenBearbeiten

Sind   und   Gruppen, so lässt sich auf dem kartesischen Produkt   eine Verknüpfung definieren:

 

Hier werden also jeweils die beiden ersten Komponenten und die beiden zweiten Komponenten miteinander verknüpft. Es ergibt sich wieder eine Gruppe, die man als   schreibt.

Beispiel
Sind   und   Gruppen mit der Addition als Operation, dann besteht das kartesische Produkt   aus den Elementen  . Dies führt auf die Verknüpfungstabelle
  (0,0) (0,1) (0,2) (1,0) (1,1) (1,2)
(0,0) (0,0) (0,1) (0,2) (1,0) (1,1) (1,2)
(0,1) (0,1) (0,2) (0,0) (1,1) (1,2) (1,0)
(0,2) (0,2) (0,0) (0,1) (1,2) (1,0) (1,1)
(1,0) (1,0) (1,1) (1,2) (0,0) (0,1) (0,2)
(1,1) (1,1) (1,2) (1,0) (0,1) (0,2) (0,0)
(1,2) (1,2) (1,0) (1,1) (0,2) (0,0) (0,1)

Wenn wie häufig eine Gruppe   in der Bezeichnung nicht von ihrer Grundmenge   unterschieden wird, wird meist anstelle von   die vereinfachte Bezeichnung   verwendet.

Bezeichnen   und   die neutralen Elemente von   und  , so sind die Teilmengen   und   zwei zu   bzw.   isomorphe Untergruppen von  . Unabhängig davon, ob die Gruppen   und   abelsch (kommutativ) sind, kommutieren die Elemente von   und  , also Paare der Form   bzw.   miteinander. Daraus folgt, dass sich jedes Element   eindeutig schreiben lässt als Produkt   mit   und  . Insbesondere sind   und   Normalteiler von  .

Eine Verallgemeinerung des direkten Produktes von zwei Gruppen ist das semidirekte Produkt.

Direktes Produkt von endlich vielen GruppenBearbeiten

Für beliebige endliche Anzahl von Gruppen   erfolgt die Definition ihres direkten Produkts analog: Das direkte Produkt ist die Menge   mit der Verknüpfung

 , wo   jeweils die Verknüpfung auf   bezeichnet.

Es ergibt sich auch hier wieder eine Gruppe.

Auch hier enthält das direkte Produkt zu jeder Gruppe   einen Normalteiler   , der zu   isomorph ist. Er besteht aus den Elementen der Form

 ,   .

Die Elemente verschiedener   kommutieren und jedes Element   des direkten Produkts hat eine eindeutig bestimmte Darstellung als Produkt solcher Elemente:     mit   .

BeispielBearbeiten

Jede endliche abelsche Gruppe ist entweder zyklisch oder isomorph zum direkten Produkt zyklischer Gruppen von Primzahlpotenzordnung. Diese sind bis auf die Reihenfolge eindeutig bestimmt (Hauptsatz über endlich erzeugte abelsche Gruppen).

Direktes Produkt und direkte Summe von unendlich vielen GruppenBearbeiten

Analog zum Fall endlich vieler Gruppen definiert man das direkte Produkt unendlich vieler Gruppen   als ihr kartesisches Produkt   mit komponentenweiser Verknüpfung  .

Die Menge der Elemente des direkten Produkts, die sich als Verknüpfung von Tupeln schreiben lassen, welche in nur einer Komponente vom neutralen Element verschieden sind, ist im Allgemeinen eine echte Untergruppe des gesamten direkten Produkts. Diese Teilmenge nennt man die direkte Summe der Gruppen.

Gleichwertige Charakterisierungen der direkten Summe als Untergruppe des direkten Produkts:

  • Sie besteht aus jenen Elementen  , für die die Indexmenge   endlich ist. (  ist die Menge der „Positionen“ von  , an denen nicht das neutrale Element der jeweiligen Faktorgruppe „steht“.)
  • Jedes Element der direkten Summe liegt im Kern von allen bis auf endlich vielen kanonischen Projektionen  .

Aus diesen Charakterisierungen wird deutlich, dass bei Produkten mit endlich vielen nichttrivialen Faktoren die Summen- und die Produktgruppe identisch sind.

Direktes Produkt von Ringen, Vektorräumen und ModulnBearbeiten

Analog zum direkten Produkt von Gruppen kann man auch das direkte Produkt von Ringen definieren, indem man Addition und Multiplikation komponentenweise definiert. Man erhält dabei wieder einen Ring, der aber kein Integritätsring mehr ist, da er Nullteiler enthält.

Wie bei Gruppen unterscheidet sich auch das direkte Produkt unendlich vieler Ringe von der direkten Summe der Ringe.

Das direkte Produkt von Vektorräumen über demselben Körper K (bzw. von R-Moduln über demselben kommutativen Ring R mit Eins) definiert man ebenfalls als kartesisches Produkt mit komponentenweiser Addition und Skalarmultiplikation (bzw. Multiplikation mit den Ringelementen). Der resultierende Vektorraum wird dann Produktraum genannt.

Für endlich viele Vektorräume   (oder R-Moduln) stimmt das direkte Produkt

 

mit der direkten Summe

 

überein. Für unendlich viele Vektorräume (bzw. R-Moduln) unterscheiden sie sich dadurch, dass das direkte Produkt aus dem gesamten kartesischen Produkt besteht, während die direkte Summe nur aus den Tupeln besteht, die an nur endlich vielen Stellen i vom Nullvektor in   verschieden sind.

Das direkte Produkt

 

ist der Vektorraum aller rationalen Zahlenfolgen, er ist überabzählbar.

Die direkte Summe

 

ist der Vektorraum aller rationalen Zahlenfolgen, die nur endlich viele Nicht-Nullen enthalten, d. h. der Raum aller abbrechenden rationalen Zahlenfolgen. Er ist abzählbar.

Direktes Produkt von topologischen RäumenBearbeiten

Für das direkte Produkt von topologischen Räumen   bilden wir wieder ein kartesisches Produkt

 ,

doch die Definition der neuen Topologie ist schwieriger.

Für endlich viele Räume   definiert man die Topologie des Produkts als die kleinste Topologie (d. h. die mit den wenigsten offenen Mengen), die die Menge

 

aller "offenen Quader" enthält. Diese Menge   bildet damit eine Basis der Topologie des Produkts. Die so erhaltene Topologie nennt man die Produkttopologie.

Die Produkttopologie, die auf dem kartesischen Produkt   erzeugt wird, wenn man auf   die gewöhnliche Topologie wählt (in der die offenen Mengen von den offenen Intervallen erzeugt werden), ist gerade die gewöhnliche Topologie des euklidischen Raumes  .

Für die Definition der Produkttopologie für unendlich viele Räume und weitere Eigenschaften siehe den Artikel Produkttopologie.

WeblinksBearbeiten

  • Eric W. Weisstein et al.: Direct Product (from MathWorld--A Wolfram Web Resource)

LiteraturBearbeiten