В математике модуль, имеющий основу
В математике свободный модуль — это модуль , имеющий базис , то есть порождающий набор , состоящий из линейно независимых элементов. Каждое векторное пространство является свободным модулем [1] , но если кольцо коэффициентов не является телом (не полем в коммутативном случае), то существуют несвободные модули.
Для любого множества S и кольца R существует свободный R -модуль с базисом S , который называется свободным модулем на S или модулем формальных R - линейных комбинаций элементов S.
Свободная абелева группа — это в точности свободный модуль над кольцом целых чисел Z.
Определение
Для кольца и модуля набор является основой для if :![{\displaystyle R}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle M}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle E\subseteq M}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle M}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
является генераторной установкой для ; то есть каждый элемент представляет собой конечную сумму элементов из, умноженных на коэффициенты из ; и![{\displaystyle M}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle M}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle E}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle R}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
является линейно независимым, если для каждого из различных элементов следует, что (где – нулевой элемент и – нулевой элемент ).![{\displaystyle \{e_{1},\dots,e_{n}\}\subset E}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle r_{1}e_{1}+r_{2}e_{2}+\cdots +r_{n}e_{n}=0_{M}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle r_{1}=r_{2}=\cdots =r_{n}=0_{R}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle 0_{M}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle M}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle 0_{R}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle R}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Бесплатный модуль — это модуль, имеющий основу. [2]
Непосредственным следствием второй половины определения является то, что коэффициенты в первой половине уникальны для каждого элемента M .
Если имеет инвариантный базисный номер , то по определению любые два базиса имеют одинаковую мощность. Например, ненулевые коммутативные кольца имеют инвариантный базис. Мощность любого (а значит, и всякого) базиса называется рангом свободного модуля . Если эта мощность конечна, говорят, что свободный модуль свободен от конечного ранга или свободен от ранга n , если известно, что ранг равен n .![{\displaystyle R}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Примеры
Пусть R — кольцо.
- R — свободный модуль ранга один над собой (как левый, так и правый модуль); любой единичный элемент является основой.
- В более общем смысле, если R коммутативен, ненулевой идеал I из R свободен тогда и только тогда, когда он является главным идеалом, порожденным ненулевым делителем, с генератором, являющимся базисом. [3]
- В области главных идеалов (например, ) подмодуль свободного модуля свободен.
![{\displaystyle \mathbb {Z} }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Если R коммутативно, то кольцо многочленов от неопределенного X представляет собой свободный модуль с возможным базисом 1, X , X2 , ....
![{\displaystyle R[X]}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Пусть – кольцо многочленов над коммутативным кольцом A , f – там унитарный многочлен степени d и образ t в B. Тогда B содержит A как подкольцо и свободно как A -модуль с базисом .
![{\displaystyle А[т]}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle B=A[t]/(f)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \xi }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle 1,\xi,\dots,\xi ^{d-1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Для любого неотрицательного целого числа n декартово произведение n копий R как левого R -модуля является свободным. Если R имеет инвариантный базисный номер , то его ранг равен n .
![{\displaystyle R^{n}=R\times \cdots \times R}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Прямая сумма свободных модулей свободна, а бесконечное декартово произведение свободных модулей вообще не является свободным (ср. группу Бэра – Спекера ).
- Конечно порожденный модуль над коммутативным локальным кольцом свободен тогда и только тогда, когда он строго плоский. [4] Кроме того, теорема Капланского утверждает, что проективный модуль над (возможно, некоммутативным) локальным кольцом свободен.
- Иногда вопрос о том, свободен модуль или нет, неразрешим в теоретико-множественном смысле. Известным примером является проблема Уайтхеда , которая спрашивает, свободна группа Уайтхеда или нет. Как оказалось, проблема не зависит от ZFC.
Формальные линейные комбинации
Учитывая множество E и кольцо R , существует свободный R -модуль, имеющий E в качестве базиса: а именно, прямая сумма копий R , индексированных E
.
Явно это подмодуль декартова произведения ( R рассматривается, скажем, как левый модуль), который состоит из элементов, которые имеют только конечное число ненулевых компонентов. Можно встроить E в R ( E ) как подмножество, отождествив элемент e с элементом R ( E ) , чей e -й компонент равен 1 (единица R ), а все остальные компоненты равны нулю. Тогда каждый элемент R ( E ) можно однозначно записать как
![{\ displaystyle \ sum _ {e \ in E} c_ {e} e,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где только конечное число из них отличны от нуля. Его называют формальной линейной комбинацией элементов E .![{\displaystyle c_{e}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Аналогичный аргумент показывает, что каждый свободный левый (соответственно правый) R -модуль изоморфен прямой сумме копий R как левого (соответственно правого) модуля.
Еще одна конструкция
Свободный модуль R ( E ) также можно построить следующим эквивалентным способом.
Учитывая кольцо R и множество E , сначала в качестве множества положим
![{\displaystyle R^{(E)}=\{f:E\to R\mid f(x)=0{\text{для всех, кроме конечного числа }}x\in E\}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Мы снабдим его структурой левого модуля так, что сложение определяется следующим образом: для x в E ,
![{\ Displaystyle (е + г) (х) = е (х) + г (х)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
и скалярное умножение на: для r в R и x в E ,
![{\ displaystyle (rf) (x) = r (f (x))}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Теперь, как R -значная функция на E , каждое f in можно однозначно записать как![{\displaystyle R^{(E)}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle f=\sum _{e\in E}c_{e}\delta _{e}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где находятся в R и только конечное число из них ненулевые и задаются как![{\displaystyle c_{e}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \delta _{e}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \delta _{e}(x)={\begin{cases}1_{R}\quad {\mbox{if }}x=e\\0_{R}\quad {\mbox{if }} x\neq e\end{случаи}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
(это вариант дельты Кронекера ). Вышеупомянутое означает, что подмножество является основой . Отображение является биекцией между E и этим базисом. Благодаря этой биекции – свободный модуль с базисом E.![{\displaystyle \{\delta _{e}\mid e\in E\}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle R^{(E)}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle R^{(E)}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle е\mapsto \delta _{e}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle R^{(E)}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Универсальная собственность
Определенное выше отображение включения является универсальным в следующем смысле. Для произвольной функции из множества E в левый R -модуль N существует единственный гомоморфизм модулей такой, что ; а именно, определяется по формуле:![{\displaystyle \iota:E\to R^{(E)}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\overline {f}}:R^{(E)}\to N}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle f={\overline {f}}\circ \iota }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\overline {f}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\overline {f}}\left(\sum _{e\in E}r_{e}e\right)=\sum _{e\in E}r_{e}f(e)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
и говорят, что оно получено путем расширения по линейности. Единственность означает, что каждое R - линейное отображение однозначно определяется его ограничением на E.![{\displaystyle {\overline {f}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle е}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle R^{(E)}\to N}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Как обычно для универсальных свойств, это определяет R ( E ) с точностью до канонического изоморфизма . Также формирование для каждого множества E определяет функтор![{\displaystyle \iota:E\to R^{(E)}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
,
из категории множеств в категорию левых R -модулей. Он называется свободным функтором и удовлетворяет естественному соотношению: для каждого множества E и левого модуля N
![{\displaystyle \operatorname {Hom} _ {\textbf {Set}}(E,U(N))\simeq \operatorname {Hom} _{R}(R^{(E)},N),\,f \mapsto {\overline {f}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где - функтор забывчивости , смысл - левый сопряженный функтор забывчивости.![{\displaystyle U:R{\text{-}}{\mathsf {Mod}}\to {\textbf {Set}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle R^{(-)}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Обобщения
Многие утверждения, верные для свободных модулей, распространяются на некоторые более крупные классы модулей. Проективные модули являются прямыми слагаемыми свободных модулей. Плоские модули определяются тем свойством, что тензорирование с их помощью сохраняет точные последовательности. Модули без кручения образуют еще более широкий класс. Для конечно порожденного модуля над PID (например, Z ) свойства свободный, проективный, плоский и без кручения эквивалентны.
![Свойства модулей в коммутативной алгебре](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
См. локальное кольцо , идеальное кольцо и кольцо Дедекинда .
Смотрите также
Примечания
- ^ Киоун (1975). Введение в теорию представлений групп. п. 24.
- ^ Хазевинкель (1989). Энциклопедия математики, том 4. с. 110.
- ^ Доказательство: Предположим , свободен с базисом . Для , должно иметь уникальную линейную комбинацию с точки зрения и , что неверно. Таким образом, поскольку , существует только один базисный элемент, который должен быть ненулевым делителем. Обратное утверждение очевидно.
![{\displaystyle I}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \{x_{j}|j\}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle j\neq k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle x_{j}x_{k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle x_{j}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle x_{k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle I\neq 0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \square }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- ^ Мацумура 1986, Теорема 7.10.
Рекомендации
Эта статья включает в себя материалы из свободного векторного пространства в наборе PlanetMath , который доступен под лицензией Creative Commons Attribution/Share-Alike License .
- Адамсон, Иэн Т. (1972). Элементарные кольца и модули . Университетские математические тексты. Оливер и Бойд. стр. 65–66. ISBN 0-05-002192-3. МР 0345993.
- Киоун, Р. (1975). Введение в теорию представлений групп . Математика в науке и технике. Том. 116. Академическая пресса. ISBN 978-0-12-404250-6. МР 0387387.
- Говоров, В.Е. (2001) [1994], «Свободный модуль», Математическая энциклопедия , EMS Press.
- Мацумура, Хидеюки (1986). Коммутативная теория колец. Кембриджские исследования по высшей математике. Том. 8. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-36764-6. МР 0879273. Збл 0603.13001.