المجموع المباشر للوحدات
في الجبر المجرد ، يُعدّ المجموع المباشر بنيةً تجمع عدة وحدات في وحدة جديدة أكبر. ويُمثّل المجموع المباشر للوحدات أصغر وحدة تحتوي على الوحدات المُعطاة كوحدات فرعية دون قيود "غير ضرورية"، مما يجعله مثالاً على الضرب المشترك . قارن ذلك بالضرب المباشر ، وهو المفهوم المُقابل .
تظهر الأمثلة الأكثر شيوعًا لهذا البناء عند دراسة الفضاءات المتجهة (الوحدات النمطية على حقل ) والمجموعات الأبيلية (الوحدات النمطية على حلقة الأعداد الصحيحة Z ) . ويمكن أيضًا توسيع هذا البناء ليشمل فضاءات باناخ وفضاءات هيلبرت .
راجع مقالة "تفكيك الوحدة النمطية" لمعرفة طريقة كتابة الوحدة النمطية كمجموع مباشر للوحدات النمطية الفرعية.
بناء الفضاءات المتجهة والمجموعات الأبيلية
نقدم أولاً البنية في هاتين الحالتين، بافتراض وجود عنصرين فقط. ثم نعممها لتشمل أي مجموعة من الوحدات النمطية. وتتضح العناصر الأساسية للبنية العامة بشكل أكبر من خلال دراسة هاتين الحالتين بتعمق.
إنشاء فضاءين متجهين
لنفترض أن V و W فضاءان متجهيان على الحقل K. يمكن إعطاء حاصل الضرب الديكارتي V × W بنية فضاء متجهي على K ( Halmos 1974 ، §18) عن طريق تعريف العمليات على مستوى المكونات:
- ( v 1 , w 1 ) + ( v 2 , w 2 ) = ( v 1 + v 2 , w 1 + w 2 )
- α ( v , w ) = ( α v , α w )
for v , v 1 , v 2 ∈ V , w , w 1 , w 2 ∈ W , and α ∈ K .
يُطلق على فضاء المتجهات الناتج اسم المجموع المباشر لـ V و W ، ويُشار إليه عادةً برمز زائد داخل دائرة:
من المعتاد كتابة عناصر المجموع المرتب ليس كأزواج مرتبة ( v , w )، ولكن كمجموع v + w .
الفضاء الجزئي V × {0} من V ⊕ W متماثل مع V ، وغالبًا ما يُعرَّف بـ V ؛ وبالمثل بالنسبة لـ {0} × W و W. (انظر المجموع المباشر الداخلي أدناه). مع هذا التعريف، يمكن كتابة كل عنصر من V ⊕ W بطريقة واحدة فقط كمجموع عنصر من V وعنصر من W. بُعد V ⊕ W يساوي مجموع بُعدي V و W. أحد الاستخدامات الأساسية هو إعادة بناء فضاء متجهي منتهٍ من أي فضاء جزئي W ومتممه المتعامد.
يمكن تعميم هذا البناء بسهولة على أي عدد محدود من الفضاءات المتجهة.
بناء مجموعتين أبيليتيتين
بالنسبة للمجموعات الأبيلية G و H المكتوبة بطريقة الجمع، يُطلق على حاصل الضرب المباشر لـ G و H أيضًا اسم المجموع المباشر ( ماك لين وبيركوف 1999 ، §V.6) . وبالتالي، فإن حاصل الضرب الديكارتي G × H مزود ببنية مجموعة أبيلية من خلال تعريف العمليات عنصرًا عنصرًا.
- ( g1 , h1 ) + ( g2 , h2 ) = ( g1 + g2 , h1 + h2 )
بالنسبة لـ g 1 و g 2 في G ، و h 1 و h 2 في H.
تُعرَّف المضاعفات الصحيحة بشكل مماثل على أساس كل عنصر على حدة.
- n ( g , h ) = ( ng , nh )
لكل g في G و h في H و n عدد صحيح . هذا يوازي امتداد الضرب القياسي للفضاءات المتجهة إلى المجموع المباشر أعلاه.
تُسمى المجموعة الأبيلية الناتجة بالمجموع المباشر لـ G و H ، وعادة ما يُرمز لها بعلامة زائد داخل دائرة:
من المعتاد كتابة عناصر المجموع المرتب ليس كأزواج مرتبة ( g ، h )، ولكن كمجموع g + h .
الزمرة الجزئية G × {0} من G ⊕ H متماثلة مع G ، وغالبًا ما تُعرَّف بـ G ؛ وكذلك الحال بالنسبة لـ {0} × H و H. (انظر المجموع المباشر الداخلي أدناه). مع هذا التعريف ، يصح أن كل عنصر من G ⊕ H يمكن كتابته بطريقة واحدة فقط كمجموع عنصر من G وعنصر من H. رتبة G ⊕ H تساوي مجموع رتبتي G و H.
يمكن تعميم هذا البناء بسهولة على أي عدد محدود من المجموعات الأبيلية.
بناء مجموعة وحدات عشوائية
ينبغي ملاحظة تشابه واضح بين تعريفَي المجموع المباشر لفضاءين متجهيين ومجموعتين أبيليتيتين. في الواقع، يُعدّ كلٌّ منهما حالةً خاصةً من بناء المجموع المباشر لوحدتين نمطيتين . إضافةً إلى ذلك، يُمكن، بتعديل التعريف، استيعاب المجموع المباشر لعائلة لانهائية من الوحدات النمطية. التعريف الدقيق هو كما يلي ( بورباكي 1989 ، §II.1.6) .
ليكن R حلقة، و { M i : i ∈ I } عائلة من وحدات R اليسارية المفهرسة بالمجموعة I. يُعرَّف المجموع المباشر لـ { M i } بأنه مجموعة جميع المتتاليات أينولعدد محدود من المؤشرات i . ( الضرب المباشر مماثل ولكن المؤشرات لا تحتاج إلى أن تتلاشى بشكل محدود.)
يمكن تعريفها أيضًا على أنها دوال α من I إلى الاتحاد المنفصل للوحدات Mi بحيث يكون α( i ) ∈ Mi لجميع i ∈ I و α( i ) = 0 لعدد محدود من المؤشرات i . ويمكن اعتبار هذه الدوال، بشكل مكافئ، مقاطع ذات دعم محدود لحزمة الألياف على مجموعة المؤشرات I ، مع وجود الألياف على كون.
ترث هذه المجموعة بنية الوحدة النمطية عبر الجمع العنصري والضرب القياسي. وبشكل صريح، يمكن جمع سلسلتين (أو دالتين) من هذا النوع، α و β، بكتابةلكل i (لاحظ أن هذا يساوي صفرًا مرة أخرى لجميع المؤشرات باستثناء عدد محدود منها)، ويمكن ضرب هذه الدالة بعنصر r من R عن طريق تعريفلكل i . وبهذه الطريقة، يصبح المجموع المباشر وحدة نمطية يسارية R ، ويُرمز إليه بـ
من المعتاد كتابة التسلسلكمجموعأحيانًا يكون المجموع الأولييُستخدم للإشارة إلى أن عددًا لا نهائيًا من الحدود يساوي صفرًا.
ملكيات
- المجموع المباشر هو وحدة فرعية من حاصل الضرب المباشر للوحدات Mi ( بورباكي 1989 ، §II.1.7) . حاصل الضرب المباشر هو مجموعة جميع الدوال α من I إلى الاتحاد المنفصل للوحدات Mi حيث α ( i ) ∈ Mi ، ولكنها لا تتلاشى بالضرورة لجميع قيم i باستثناء عدد محدود منها . إذا كانت مجموعة المؤشرات I منتهية، فإن المجموع المباشر وحاصل الضرب المباشر متساويان.
- يمكن تعريف كل وحدة من الوحدات M i بالوحدة الفرعية للمجموع المباشر التي تتكون من تلك الدوال التي تتلاشى عند جميع المؤشرات المختلفة عن i . وبهذه التعريفات، يمكن كتابة كل عنصر x من المجموع المباشر بطريقة واحدة فقط كمجموع عدد محدود من العناصر من الوحدات M i .
- إذا كانت M i فضاءات متجهة بالفعل، فإن بُعد المجموع المباشر يساوي مجموع أبعاد M i . وينطبق الأمر نفسه على رتبة الزمر الأبيلية وطول الوحدات النمطية .
- كل فضاء متجهي على الحقل K متماثل مع مجموع مباشر لعدد كافٍ من نسخ K ، لذا بمعنى ما، لا يلزم النظر إلا في هذه المجاميع المباشرة. هذا لا ينطبق على الوحدات النمطية على الحلقات العشوائية.
- يتوزع حاصل الضرب الموتري على المجاميع المباشرة بالمعنى التالي: إذا كان N هو وحدة R- يمينية ، فإن المجموع المباشر لحاصل الضرب الموتري لـ N مع Mi ( وهي مجموعات أبيلية) متماثل بشكل طبيعي مع حاصل الضرب الموتري لـ N مع المجموع المباشر لـ Mi.
- المجاميع المباشرة تبادلية وتجميعية (حتى التشاكل)، مما يعني أنه لا يهم الترتيب الذي يتم به تكوين المجموع المباشر .
- إن المجموعة الأبيلية للتشاكلات الخطية R من المجموع المباشر إلى بعض الوحدات النمطية اليسرى R L متماثلة بشكل طبيعي مع الضرب المباشر للمجموعات الأبيلية للتشاكلات الخطية R من Mi إلى L :في الواقع، يوجد بوضوح تشاكل τ من الطرف الأيسر إلى الطرف الأيمن، حيث τ ( θ )( i ) هو التشاكل الخطي R الذي يُرسل x ∈ Mi إلى θ ( x ) (باستخدام التضمين الطبيعي لـ Mi في المجموع المباشر ) . ويُعرَّف معكوس التشاكل τ كما يلي :لأي قيمة α في المجموع المباشر للوحدات M i . النقطة الأساسية هي أن تعريف τ −1 منطقي لأن α ( i ) يساوي صفرًا لجميع قيم i باستثناء عدد محدود منها ، وبالتالي فإن المجموع محدود.على وجه الخصوص، فإن الفضاء المتجهي الثنائي للمجموع المباشر للفضاءات المتجهة متماثل مع الناتج المباشر للفضاءات الثنائية لتلك الفضاءات.
- المجموع المباشر المحدود للوحدات هو ناتج ثنائي : إذاهي عمليات الإسقاط المتعارف عليها وهي عمليات التعيين المضمنة، إذنيساوي تشاكل الهوية لـ A 1 ⊕ ⋯ ⊕ An ، وهو التشكل المتطابق لـ A k في حالة l = k ، وهو الخريطة الصفرية بخلاف ذلك.
المجموع المباشر الداخلي
لنفترض أن M وحدة نمطية على R، وأن Mi وحدة نمطية فرعية من M لكل i في I. إذا أمكن كتابة كل x في M بطريقة واحدة فقط كمجموع عدد محدود من عناصر Mi ، فإننا نقول إن M هو المجموع المباشر الداخلي للوحدات النمطية الفرعية Mi ( هالموس 1974 ، §18) . في هذه الحالة، يكون M متماثلًا طبيعيًا مع المجموع المباشر (الخارجي) لـ Mi كما هو مُعرَّف أعلاه ( آدمسون 1972 ، ص 61 ) .
تُعتبر الوحدة الفرعية N من M مجموعًا مباشرًا لـ M إذا وُجدت وحدة فرعية أخرى N′ من M بحيث تكون M هي المجموع المباشر الداخلي لـ N و N′ . في هذه الحالة، تُسمى N و N′ وحدات فرعية متكاملة .
الملكية العالمية
في لغة نظرية الفئات ، يُعد المجموع المباشر ضربًا مشتركًا ، وبالتالي نهاية مشتركة في فئة الوحدات النمطية اليسرى R ، مما يعني أنه يتميز بالخاصية العامة التالية : لكل i في I ، ضع في اعتبارك التضمين الطبيعي
والتي تُرسل عناصر M i إلى تلك الدوال التي تساوي صفرًا لجميع الوسائط باستثناء i . الآن، ليكن M وحدة نمطية عشوائية على R ، و f i : M i → M دوال خطية عشوائية على R لكل i ، عندئذٍ يوجد دالة خطية واحدة فقط على R
بحيث يكون f o j i = f i لجميع قيم i .
مجموعة غروتينديك
يُضفي المجموع المباشر على مجموعة من العناصر بنية الزمرة التبادلية الأحادية ، حيث تُعرَّف عملية جمع العناصر، بينما لا تُعرَّف عملية الطرح. في الواقع، يُمكن تعريف الطرح، ويمكن توسيع كل زمرة تبادلية أحادية إلى زمرة أبيلية . يُعرف هذا التوسيع بزمرة غروتينديك . ويتم التوسيع بتعريف فئات التكافؤ لأزواج العناصر، مما يسمح بمعاملة أزواج معينة كمعكوسات. يُعدّ هذا البناء، المُفصَّل في مقال زمرة غروتينديك، "شاملاً"، إذ يتمتع بخاصية التفرد ، وهو متماثل مع أي تضمين آخر لزمرة تبادلية أحادية في زمرة أبيلية.
المجموع المباشر للوحدات ذات البنية الإضافية
إذا كانت الوحدات التي ندرسها تحمل بنية إضافية (مثل معيار أو جداء داخلي )، فغالبًا ما يمكن جعل المجموع المباشر لهذه الوحدات يحمل هذه البنية الإضافية أيضًا. في هذه الحالة، نحصل على الجداء المشترك في الفئة المناسبة لجميع العناصر التي تحمل البنية الإضافية. ومن الأمثلة البارزة على ذلك فضاءات باناخ وفضاءات هيلبرت .
ما يسمى في بعض النصوص الكلاسيكية [ 1 ] "المجموع المباشر" للجبر على حقل ما يسمى الآن بالضرب المباشر للجبر؛ انظر المقالة حول الضرب المباشر للحصول على معلومات حول هذه.
المجموع المباشر لفضاءات باناخ
المجموع المباشر لفضاءين من فضاءات باناخوهو المجموع المباشر لـوتُعتبر فضاءات متجهة، مع المعيارللجميعو
عموماً، إذاهي مجموعة من فضاءات باناش، حيثيجتاز مجموعة الفهرسثم المجموع المباشرهي وحدة تتكون من جميع الوظائفتم تعريفها علىبحيثللجميعو
المعيار يُعطى بالمجموع أعلاه. والمجموع المباشر مع هذا المعيار هو أيضاً فضاء باناخ.
على سبيل المثال، إذا أخذنا مجموعة الفهرسوثم المجموع المباشرهل المساحةوالتي تتكون من جميع التسلسلاتمن الأعداد الحقيقية ذات المعيار المحدود
فضاء فرعي مغلقمن فضاء باناختُستكمل إذا كان هناك فضاء فرعي مغلق آخرلبحيثيساوي المجموع المباشر الداخليلاحظ أنه ليس كل فضاء جزئي مغلق مكملاً؛ على سبيل المثاللا يتم استكمالها في
المجموع المباشر للوحدات ذات الأشكال الثنائية الخطية
يترككن عائلة مفهرسة بواسطةمن الوحدات المجهزة بأشكال ثنائية الخطية . المجموع المباشر المتعامد هو المجموع المباشر للوحدة مع شكل ثنائي الخطيةمحدد بواسطة [ 2 ] حيث يكون الجمع منطقيًا حتى بالنسبة لمجموعات الفهارس اللانهائيةلأن عددًا محدودًا فقط من الحدود لا يساوي الصفر.
المجموع المباشر لفضاءات هيلبرت
إذا كان عدد فضاءات هيلبرت محدودًاإذا كانت معطى، فيمكن للمرء إنشاء مجموعها المباشر المتعامد كما هو مذكور أعلاه (لأنها فضاءات متجهة)، مع تعريف الضرب الداخلي على النحو التالي:
المجموع المباشر الناتج هو فضاء هيلبرت يحتوي على فضاءات هيلبرت المعطاة كفضاءات فرعية متعامدة بشكل متبادل .
إذا كان عدد فضاءات هيلبرت لا نهائيًالإذا كانت لدينا المعطيات، يمكننا إجراء نفس البناء؛ لاحظ أنه عند تعريف الضرب الداخلي، سيكون عدد محدود فقط من الحدود غير الصفرية. ومع ذلك، ستكون النتيجة فضاء ضرب داخلي فقط ، ولن تكون بالضرورة كاملة . ثم نُعرّف المجموع المباشر لفضاءات هيلبرت.ليكون ذلك بمثابة استكمال لمساحة المنتج الداخلية هذه.
أو بصورة مكافئة، يمكن تعريف المجموع المباشر لفضاءات هيلبرتباعتبارها فضاء جميع الدوال α ذات المجالبحيثهو عنصر منلكلو:
يُعرَّف حاصل الضرب الداخلي لدالتين من هذا النوع α و β على النحو التالي:
هذا الفضاء مكتمل، ونحصل على فضاء هيلبرت.
على سبيل المثال، إذا أخذنا مجموعة الفهرسوثم المجموع المباشرهل المساحةوالتي تتكون من جميع التسلسلاتمن الأعداد الحقيقية ذات المعيار المحدودبمقارنة هذا مع مثال فضاءات باناخ ، نلاحظ أن المجموع المباشر في فضاء باناخ والمجموع المباشر في فضاء هيلبرت ليسا بالضرورة متطابقين. ولكن إذا كان عدد الحدود المضافة محدودًا، فإن المجموع المباشر في فضاء باناخ يكون متماثلًا مع المجموع المباشر في فضاء هيلبرت، مع اختلاف المعيار.
كل فضاء هيلبرت متماثل مع مجموع مباشر لعدد كافٍ من نسخ الحقل الأساسي، والذي يكون إما هذا يُعادل القول بأن لكل فضاء هيلبرت أساسًا متعامدًا. وبشكل أعم، فإن كل فضاء جزئي مغلق من فضاء هيلبرت يكون مُكمِّلًا لأنه يقبل مُكمِّلًا متعامدًا . وعلى العكس، تنص نظرية ليندنشتراوس-تزافريري على أنه إذا كان كل فضاء جزئي مغلق من فضاء باناخ مُكمِّلًا، فإن فضاء باناخ يكون متماثلًا (طوبولوجيًا) مع فضاء هيلبرت.
انظر أيضاً
- المنتج الثانوي – الشيء الذي يُعد منتجًا ومنتجًا ثانويًا في آن واحد
- وحدة غير قابلة للتحلل
- نظرية جوردان-هولدر – تفكيك البنية الجبرية. صفحات تعرض أوصافًا موجزة لأهداف إعادة التوجيه.
- نظرية كرول-شميدت – نظرية رياضية
- المتتالية التامة المنقسمة – نوع من المتتاليات التامة القصيرة في الرياضيات
مراجع
- ↑ ويدربورن ، جيه إتش إم (1934). محاضرات في المصفوفات . الجمعية الرياضية الأمريكية. ص 151.
- ^ ميلنور، ج . هوسمولر، د. (1973). أشكال ثنائية الخطية متناظرة . Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete . المجلد. 73. سبرينغر-فيرلاغ . ص 4 – 5. رقم ISBN 3-540-06009-X. Zbl 0292.10016 .
- آدمسون، إيان ت. (1972)، الحلقات والوحدات الأولية ، نصوص الرياضيات الجامعية، أوليفر وبويد، ISBN 0-05-002192-3.
- بورباكي، نيكولاس (1989)، عناصر الرياضيات، الجبر 1 ، سبرينغر-فيرلاغ، ISBN 3-540-64243-9.
- دوميت، ديفيد س.؛ فوت، ريتشارد م. (1991)، الجبر المجرد ، إنجلوود كليفس، نيوجيرسي: برنتيس هول، رقم ISBN 0-13-004771-6.
- هالموس ، بول (1974)، مساحات متجهة محدودة الأبعاد ، سبرينغر، ISBN 0-387-90093-4
- ماك لين، إس.؛ بيركوف ، جي. (1999)، الجبر ، جمعية الرياضيات الأمريكية تشيلسي، رقم ISBN 0-8218-1646-2.
- الجبر الخطي
- نظرية الوحدات
