Beweisarchiv: Algebra: Gruppen: Klassifikation endlich erzeugter abelscher Gruppen

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Satz

Jede endlich erzeugte abelsche Gruppe ist direktes Produkt einer frei-abelschen Gruppe von endlichem Rang und einer endlichen abelschen Gruppe. Hierbei ist der Rang der frei-abelschen Gruppe eindeutig und die endliche Gruppe bis auf Isomorphie eindeutig.

Beweis

Zur Eindeutigkeit

Sei G endlich erzeugte Gruppe und GrH, wobei H endlich ist. Dann ist H in der Summe rechts die Torsionsuntergruppe (die Menge der Elemente endlicher Ordnung), folglich isomorph zur Torsionsuntergruppe von G. Ferner folgt Gr, so dass auch r als Dimension dieses -Vektorraumes eindeutig gegeben ist.

Zur Existenz

Sei G eine endlich erzeugte abelsche Gruppe mit additiv geschriebener Verknüpfung. Ist g=(g1,,gk) ein endliches Erzeugendensystem von G, d. h. es gilt G=g1,,gk, so definiert dies einen Gruppenepimorphismus ϕg:kG vermöge ϕ(a1,,ak)=a1g1++akgk. Der Beweis erfolgt per Induktion nach der Länge k des Erzeugendensystems. Für den Induktionsanfang k=0 folgt sofort, dass G die triviale Gruppe ist, und für diese existiert die gewünschte Zerlegung trivialerweise.

Sei also fortan k>0 und die Aussage für von weniger Elementen erzeugte Gruppen bereits gezeigt. Sei π:r die Projektion auf die erste Komponente und sei Ag:=πkerϕg das Bild des Kerns von ϕg unter dieser Projektion. Dies ist eine Untergruppe der ersten Komponente , also von der Form Ag=d mit d0. Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit sei g unter allen Erzeugendensystemen der Länge k derart gewählt, dass d minimiert wird.

Falls d=0, so gilt G=g1g2,,gk. Hierbei ist g1 und nach Induktionsvoraussetzung g2,,gkrH für ein r0 und endliches H. Es folgt Gr+1H wie gewünscht.

Falls dagegen d>0, wähle ein Element (a1,a2,,ak)kerϕg mit a1=d. Sei 2ik. Per Division mit Rest findet man q,d mit ai=qd+d und 0d<d. Definiere h=(h1,,hk) durch h1:=gi, hi:=g1+qgi und ansonsten hj:=gj. Dann ist auch h ein Erzeugendensystem der Länge k von G. Mit b1:=d, bi:=d und ansonsten bj:=aj ergibt sich wegen b1h1+bihi=(aiqd)gi+d(g1+qgi)=aigi+a1g1, dass (b1,,bk)kerϕh. Wegen der Minimalität von d ist 1d<d ausgeschlossen, d. h. ai ist ein Vielfaches von d. Setze daher qi:=aid für 1ik (insb. also q1=1) sowie

y:=i=1kqigi.

Da sich g1 wieder aus y und den anderen Erzeugern kombinieren lässt, ergibt sich G=y,g2,,gk. Dies lässt sich auch schreiben als G=y+g2,,gk. Diese Summenzerlegung ist sogar direkt, denn aus ay=i=2kaigi ergibt sich durch Einsetzen, dass aAg gilt, also a Vielfaches von d ist. Es ist jedoch bereits dy=0. Nach Induktionsvoraussetzung ist g2,,gkrH für ein endliches H. Es folgt Gr(Hy) wie gewünscht.