Direkte Summe

{{#if: behandelt direkte Summen von Vektorräumen, zu direkten Summen von Permutationen siehe Summe von Permutationen.

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}} Der Begriff direkte Summe bezeichnet in der Mathematik die äußere direkte Summe und die innere direkte Summe.

In beiden Fällen wird die direkte Summe mit dem Verknüpfungszeichen <math>\oplus</math> geschrieben (eingekreistes Pluszeichen, Unicode: U+2295 {{#if:circled plus sign | circled plus sign | Vorlage:Kapitälchen – Text fehlt}}, bzw. als mehrstelliger Operator analog dem Summenzeichen: U+2A01 {{#if:n-ary circled plus operator | n-ary circled plus operator | Vorlage:Kapitälchen – Text fehlt}}).

Äußere direkte Summe

Als äußere (auch: externe) direkte Summe bezeichnet man in der Mathematik den Standardvertreter des in der Kategorientheorie nur bis auf Isomorphie definierten Koprodukts von abelschen Gruppen oder Moduln und damit auch Vektorräumen. Er ist gegeben durch die Untergruppe bzw. den Untermodul des direkten Produktes, welche aus den Tupeln mit höchstens endlich vielen vom (jeweiligen) Nullelement verschiedenen Einträgen besteht. Im Falle nur endlich vieler Faktoren stimmt diese Struktur offenbar mit dem direkten Produkt überein. Im Folgenden werden wir uns der Einfachheit halber nur mit dem Fall von Vektorräumen beschäftigen, für die direkte Summe abelscher Gruppen und die direkte Summe von Moduln geht dies aber analog.

Eine weitere Möglichkeit, das Koprodukt zu beschreiben, ist die unten erklärte innere direkte Summe, welche zur äußeren direkten Summe isomorph ist.

Definition

Sei <math>K</math> ein Körper und <math>\left(V_i\right)_{i\in I}</math> eine Familie von <math>K</math>-Vektorräumen. Dann heißt

<math>\bigoplus_{i\in I } V_i := \Big\{\left(v_i\right)_{i \in I} \in\prod_{i\in I} V_i \;\Big|\; v_i = 0 </math> für fast alle <math> i\in I\ \Big\}</math>

die äußere direkte Summe der Familie <math>(V_i)_{i \in I}</math>, wobei <math>\textstyle \prod_{i \in I} V_i</math> das direkte Produkt von Vektorräumen ist.

Im endlichen Fall ergibt sich also zum Beispiel

<math>V_1 \oplus V_2 =\left\{\left(v_1,v_2\right)\mid v_1 \in V_1, v_2 \in V_2\right\} = V_1\times V_2 </math>

Die Unterscheidung zwischen direkter Summe und direktem Produkt ist somit nur bei unendlicher Indexmenge notwendig.

Außerdem gilt bei einer solchen direkten Summe von endlich vielen Vektorräumen, dass die Dimension der Summe gleich der Summe der Dimensionen ihrer Summanden ist.

Innere direkte Summe

Bei einer Familie von Untervektorräumen <math>(U_i)_{i \in I}</math> des Vektorraumes <math>V</math> heißt <math>V</math> innere (auch: interne) direkte Summe der <math>U_i</math> (die <math>U_i</math> heißen dann auch direkte Zerlegung von <math>V</math>), falls jedes <math>v \in V</math> (bis auf die Reihenfolge) eindeutig als Summe endlich vieler Elemente der Untervektorräume, wobei aus jedem Untervektorraum höchstens ein Element und niemals das Nullelement ausgewählt wird, darstellbar ist, d. h.:

Zu jedem Vektor <math>v \in V</math> gibt es genau eine Familie <math>(u_i)_{i \in I}</math> von Vektoren mit <math>u_i \in U_i</math> für alle <math>i \in I</math> und <math>u_i \ne 0</math> nur für endlich viele der <math>u_i</math>, so dass <math>v = \sum_{i \in I} u_i</math> ist.

Wie die äußere Summe wird auch die innere wie folgt symbolisiert:

<math> V = \bigoplus_{i \in I} U_i</math>

oder im endlichen Fall

<math> V = U_1 \oplus \dotsb \oplus U_n </math>.

Eine Summe <math>V = \sum_{i \in I} U_i</math> einer Familie von Untervektorräumen ist genau dann direkt, wenn für alle <math>j \in I</math> gilt:

<math>U_j \cap \sum_{i \in I \setminus\{j\}} U_i = \{0\}</math>,

also wenn für jedes <math>U_j</math> der Schnitt mit der Summe der übrigen Untervektorräume nur den Nullvektor enthält.

Im Spezialfall <math> U_1 \oplus U_2 = V</math> nennt man <math>U_1</math> und <math>U_2</math> zueinander komplementär. Dabei gilt

<math> U_1 \oplus U_2 = V \Leftrightarrow (U_1 + U_2 = V) \land (U_1 \cap U_2 = \{0\})</math>.

Ein Untervektorraum <math>U_1\subset V</math> eines Vektorraums <math>V</math> heißt ein direkter Summand von <math>V</math>, wenn es einen zu <math>U_1</math> komplementären Untervektorraum <math>U_2</math> gibt, für den also <math>U_1\oplus U_2=V</Math> gilt.

Zusammenhang

Man beachte: Die äußere Summe von Unterräumen kann immer gebildet werden, aber die innere Summe von Unterräumen ist meist nicht direkt.

Der Bezug zwischen innerer und äußerer Summe kann folgendermaßen hergestellt werden.

Betrachte für jedes <math>j\in I</math> die Einbettung <math>f_j \colon V_j \longrightarrow \oplus V_i</math> in die äußere direkte Summe, also:

Die innere direkte Summe der Bilder dieser Abbildungen bildet dann die äußere direkte Summe.

Direkte Summe von Darstellungen

Seien <math>\textstyle (\rho_1,V_{\rho_1}), (\rho_2,V_{\rho_2})</math> Darstellungen von <math>\textstyle G_1</math> bzw. <math>\textstyle G_2.</math> Die direkte Summe der Darstellungen wird definiert als: <math> \textstyle\rho_1\oplus\rho_2: G_1\times G_2 \to \text{GL}(V_{\rho_1}\oplus V_{\rho_2}),</math> wobei <math>\textstyle\rho_1\oplus\rho_2(s_1, s_2) (v_1,v_2) := ( \rho_1(s_1)v_1, \rho_2(s_2)v_2)</math> für alle <math>(s_1,s_2)\in G_1\times G_2</math> und <math>v_1\in V_{\rho_1}, v_2\in V_{\rho_2}.</math>
Auf diese Weise wird <math>\textstyle \rho_1\oplus\rho_2</math> wieder zu einer linearen Darstellung.
Sind <math>\textstyle\rho_1, \rho_2</math> Darstellungen der gleichen Gruppe <math>\textstyle G,</math> so definiert man die direkte Summe der Darstellungen der Einfachheit halber auch als Darstellung von <math>\textstyle G,</math> also <math>\textstyle\rho_1\oplus\rho_2 \colon G\to\text{GL}(V_1\oplus V_2),</math> in dem man <math>\textstyle G</math> als die diagonale Untergruppe von <math>\textstyle G\times G</math> auffasst.

Beispiel

Sei <math>\textstyle\rho_1\colon \mathbb{Z}/2\mathbb{Z} \to \text{GL}_2(\mathbb{C})</math> die lineare Darstellung, die gegeben ist durch

<math>\rho_1(\overline{1})=\left(\begin{array}{cc} 0 & -i \\ i & 0\end{array} \right).</math>

Und sei <math> \textstyle\rho_2: \mathbb{Z}/3\mathbb{Z} \to \text{GL}_3(\mathbb{C})</math> die lineare Darstellung, die gegeben ist durch

<math> \rho_2(\overline{1}) =\left( \begin{array}{ccc} 1 & 0 & e^{\frac{2\pi i}{3}}\\ 0 & e^{\frac{2\pi i}{3}} & 0\\ 0 & 0 & e^{\frac{4\pi i}{3}}\end{array}\right).</math>

Dann ist <math>\textstyle \rho_1\oplus \rho_2</math> eine lineare Darstellung von <math>\textstyle\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}/3\mathbb{Z}</math> in den <math>\textstyle\mathbb{C}^2\oplus\mathbb{C}^3=\mathbb{C}^5,</math> die für <math>k\in\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}, l\in \mathbb{Z}/3\mathbb{Z}</math> nach Definition wie folgt aussieht:

<math> \rho_1\oplus\rho_2 (k,l) = \left(\begin{array}{cc}

\rho_1(k)& 0 \\ 0 & \rho_2(l) \end{array} \right). </math> Da es reicht das Bild des Erzeugers der Gruppe anzugeben, stellen wir fest, dass <math>\textstyle\rho_1\oplus\rho_2\colon \mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}/3\mathbb{Z} \to \text{GL}_5(\mathbb{C})</math> gegeben ist durch:

<math> \rho_1\oplus\rho_2 (\overline{1},\overline{1}) = \left(\begin{array}{ccccc}

0 & -i & 0 & 0 & 0 \\ i & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0 & e^{\frac{2\pi i}{3}}\\ 0 & 0 &0 & e^{\frac{2\pi i}{3}} & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & e^{\frac{4\pi i}{3}} \end{array} \right). </math>

Siehe auch

Direkte Summe (Banachraum)
Direkte Summe (Abelsche Gruppe)
Orthogonale Summe, Ausweitung auf mit Skalarprodukten versehene Räume, insbesondere Hilberträume.

Literatur

Gerd Fischer: Lineare Algebra, Vieweg-Verlag, ISBN 3-528-03217-0