Quelltext der Seite Direkte Summe

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{{Dieser Artikel|behandelt direkte Summen von Vektorräumen, zu direkten Summen von Permutationen siehe [[Summe von Permutationen]].}}
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 {{Kapitälchen|circled plus sign}}, bzw. als mehrstelliger Operator analog dem [[Summenzeichen]]: U+2A01 {{Kapitälchen|n-ary circled plus operator}}).
== 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 [[Koprodukt|Koprodukts]] von [[Abelsche Gruppe|abelschen Gruppen]] oder [[Modul (Mathematik)|Moduln]] (und damit auch [[Vektorraum|Vektorräumen]]). Er ist gegeben durch die Untergruppe bzw. den Untermodul des [[Direktes Produkt|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 (Mathematik)|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 [[Direktes Produkt|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 [[Untervektorraum|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.&nbsp;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 [[Komplementärraum|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:

:<math> f_j(x) = (v_i)_{i \in I}, v_i = x</math> für <math>i = j</math> und <math>v_i = 0</math> für <math>i \neq j</math>

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><br />
Auf diese Weise wird <math>\textstyle \rho_1\oplus\rho_2</math> wieder zu einer linearen Darstellung.<br />
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 abelscher Gruppen|Direkte Summe (Abelsche Gruppe)]]
* [[Orthogonale Summe]], Ausweitung auf mit [[Skalarprodukt]]en versehene Räume, insbesondere [[Hilbertraum|Hilberträume]].

== Literatur ==
* Gerd Fischer: ''Lineare Algebra'', Vieweg-Verlag, ISBN 3-528-03217-0

[[Kategorie:Lineare Algebra]]

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