Teilbare Gruppe

In der Mathematik heißt eine Gruppe G teilbar oder dividierbar, falls man jedes Gruppenelement durch jede natürliche Zahl teilen kann. Gemeint ist damit: Zu jedem Gruppenelement und zu jeder natürlichen Zahl gibt es ein Gruppenelement , so dass

gilt. Hierbei wurde die Gruppenverknüpfung mit einem Stern geschrieben.

Wird (wie bei abelschen Gruppen üblich) die Verknüpfung in der Gruppe als Addition geschrieben, so bedeutet die definierende Bedingung: Zu jedem und zu jeder natürlichen Zahl gibt es ein mit

.

Jedes Gruppenelement ist also durch teilbar.

Schreibt man die Verknüpfung wie bei allgemeinen Gruppen üblich als Multiplikation, so bedeutet die Bedingung: Zu jedem und zu jeder natürlichen Zahl gibt es ein mit

Es existiert also eine -te Wurzel aus .

Hintergrund ist die naheliegende Frage: Wann ist eine Zahl durch eine natürliche Zahl teilbar oder dividierbar? Dies wird auf Gruppen verallgemeinert. Schon Euklid beschrieb das Problem: Für welche Zahlen ist die Gleichung lösbar. Welche Zahlen sind Vielfache einer gegebenen natürlichen Zahl.[1]

.

Ein auf den ersten Blick anderes Thema behandelt Euklid im 10. Buch und beweist: Es gibt keinen Bruch, welcher die Gleichung löst. Für welche Zahlen ist die Gleichung

lösbar? Drückt man diese beiden Fragen mit Hilfe von Abbildungen aus, so leuchtet der gemeinsame Hintergrund auf.

  • Ist , so ist die Abbildung
nicht surjektiv. Aber die Abbildung ist surjektiv.
  • Die Abbildung ist nicht surjektiv. Aber die Abbildung ist surjektiv.

Diese Beobachtung legt es nahe, von den ganzen Zahlen und den Brüchen zu abstrahieren.

Definition der teilbaren GruppeBearbeiten

Für eine Gruppe   und eine natürliche Zahl   sind folgende Aussagen äquivalent:

  1. Für jedes   gibt es ein   mit  .
  2. Für jeden Homomorphismus   gibt es einen Homomorphismus   mit  . Dabei ist   die Inklusionsabbildung.

Trifft eine der Aussagen und damit beide auf die Gruppe   zu, so heißt die Gruppe durch   teilbar. Die Gruppe heißt teilbar, wenn sie durch jede natürliche Zahl teilbar ist. In der englischen Literatur nennt man solche Gruppen divisible. Manchmal nennt man eine solche Gruppe auch dividierbar. Ist die Gruppe additiv geschrieben, so lautet die Bedingung 1.:  .

BeispieleBearbeiten

  •   mit der Addition als Verknüpfung ist durch keine natürliche Zahl   teilbar.
  • Die Menge der reellen Zahlen mit abbrechendem Dezimalbruch wird zusammen mit der Addition eine Gruppe. Diese ist durch   und   teilbar, aber durch keine andere Primzahl.
  • Das wichtigste Beispiel ist die additive Gruppe der rationalen Zahlen  . Hier ist das gesuchte Element sogar eindeutig.
  • Die additive Gruppe jedes Vektorraums über den rationalen Zahlen ist teilbar, insbesondere gilt dies für  
  • Ein Gruppenhomomorphismus bildet teilbare Gruppen auf teilbare Gruppen ab, insbesondere sind Quotienten teilbarer Gruppen teilbar: z. B.  
  • Eine endliche Gruppe G ist genau dann teilbar, wenn |G|=1, denn sonst ist das Potenzieren mit n nicht surjektiv
  • Für jede Primzahl p ist die Prüfergruppe   teilbar.
  • die Einheitengruppe der Quaternionen   ist ein nichtkommutatives Beispiel einer teilbaren Gruppe.
  • ein weiteres nichtkommutatives Beispiel ist die dreidimensionale spezielle orthogonale Gruppe  , die aus den Rotationen im   besteht.

Teilbare Abelsche GruppenBearbeiten

Für eine abelsche Gruppe   sind die folgenden Aussagen äquivalent.

  1.   ist teilbar.
  2. Für alle Untergruppen   und alle Homomorphismen   gibt es einen Homomorphismus  , so dass   ist. Dabei ist   die Inklusionsabbildung. Das heißt, folgendes Diagramm ist kommutativ.
     
  3. Zu jedem Monomorphismus   und jedem   gibt es ein   so dass  .
  4. Für alle Monomorphismen   ist die Abbildung   ein Epimorphismus. Dabei ist   die Menge der Homomorphismen  .

Die Eigenschaft 2 oder 3 besagen, dass   in der Kategorie der abelschen Gruppen ein injektives Objekt ist. Die Äquivalenz von 2. und 3. ist das Baersche Kriterium (nach Reinhold Baer).

Direkte Produkte von teilbaren – also injektiven – abelschen Gruppen sind teilbar. Dies gilt in jeder Modulkategorie. Die direkte Summe teilbarer Gruppen ist teilbar. Im Allgemeinen ist die direkte Summe von injektiven Moduln nicht injektiv. Das epimorphe Bild einer teilbaren Gruppe ist teilbar. Also ist mit   auch   teilbar. Dies ist eine besonders wichtige teilbare abelsche Gruppe.

Injektive HülleBearbeiten

Es gibt genügend viele injektive GruppenBearbeiten

  ist eine Untergruppe der abelschen Gruppe  . Jede abelsche Gruppe kann monomorph in eine teilbare abelsche Gruppe eingebettet werden.[2] In der Kategorie der abelschen Gruppen gibt es genügend viele injektive. Daraus ergibt sich:

Für eine abelsche Gruppe sind folgende Aussagen äquivalent:

  • G ist injektiv.
  • Zu jedem Monomorphismus   gibt es einen Homomorphismus   mit  . Dabei ist   die Identität auf G.

Insbesondere ist eine teilbare Gruppe in jeder Obergruppe direkter Summand.

Injektive HülleBearbeiten

  ist in besonderer Weise in der injektiven Gruppe   enthalten. Ist   ein Monomorphismus in eine beliebige teilbare Gruppe, so gibt es ein  . Es ist   und daher  . Daher ist   ein Monomorphismus.   ist also bis auf Isomorphie in jeder teilbaren Gruppe enthalten, welche   enthält.   ist die injektive Hülle von  . Die gibt es zu jeder abelschen Gruppe G. Um dies zu klären wird die große Untergruppe definiert.

Große UntergruppeBearbeiten

Eine Untergruppe   heißt groß in G, wenn   die einzige Untergruppe von G ist, welche mit U den Schnitt   hat. Damit sind die folgenden Aussagen äquivalent:

  • Jeder Homomorphismus   mit   ist ein Monomorphismus.
  • Für alle   gibt es ein  .

Ein Monomorphismus   heißt wesentlich, wenn   groß in H ist.

Existenz injektiver HülleBearbeiten

Es gilt der folgende Satz:

Zu jeder abelschen Gruppe G gibt es eine teilbare Gruppe D und einen wesentlichen Monomorphismus  . Dieses D ist bis auf Isomorphie eindeutig. Es heißt injektive Hülle von G und wird manchmal mit   bezeichnet.

Diese Aussage gilt in allen Modulkategorien. Jeder Modul   über einem unitären Ring   hat eine injektive Hülle.   ist die injektive Hülle von  . Die Prüfergruppe zur Primzahl p ist injektive Hülle jeder Gruppe der Art  .

Struktursatz teilbarer Abelscher GruppenBearbeiten

Jede teilbare abelsche Gruppe ist isomorph zu einer (möglicherweise unendlichen) direkten Summe von  -Vektorräumen und Prüfergruppen.

Die abelsche Gruppe Bearbeiten

Eine besondere abelsche Gruppe ist  . Sie ist ein starker Helfer beim Aufbau der Theorie abelscher Gruppen.

  •   ist als epimorphes Bild der teilbaren Gruppe   selber teilbar und daher injektiv.
  •   ist isomorph zur Gruppe der Einheitswurzeln in  . Dies ist die Menge aller komplexen Zahlen  , für die es eine natürliche Zahl n gibt mit  .
  •   enthält eine Kopie einer jeden zyklischen Torsionsgruppe. Das heißt: Zu jeder natürlichen Zahl   gibt es einen Monomorphismus  .
  •   enthält also auch die injektive Hülle einer jeden einfachen zyklischen Gruppe  . Dabei ist p eine Primzahl. Das ist die Prüfergruppe. Der Endomorphismering von   ist isomorph zum Ring der P-adischen Zahlen.
  • Zu jeder abelschen Gruppe   gibt es eine Indexmenge   und einen Monomorphismus  . Man sagt   ist ein injektiver Kogenerator in der Kategorie der abelschen Gruppen.
  • Der Funktor   erhält nicht nur exakte Folgen, sondern entdeckt sie auch. Das heißt: Ist   ein Homomorphismus abelscher Gruppen und ist   ein Epimorphismus, so ist   ein Monomorphismus. Hieraus ergibt sich beispielsweise folgender interessante Zusammenhang zwischen teilbaren und torsionsfreien abelschen Gruppen: Eine Gruppe   ist genau dann torsionsfrei, wenn   teilbar ist.
  • Jede endlich erzeugte Torsionsgruppe   ist isomorph zu ihrer in diesem Sinne dualen Gruppe  .

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Euklid: Die Elemente. Buch I – XIII. Aus dem Griechischen übersetzt und herausgegeben von Clemens Thaer. 7., unveränderte Auflage. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1980, ISBN 3-534-01488-X.
  2. Friedrich Kasch: Moduln und Ringe. Teubner, Stuttgart 1977, ISBN 3-519-02211-7, S. 86.