ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2010 Математика и механика № 3(11)
УДК 512.541
В.М. Мисяков
ОБ ОДНОМ СВОЙСТВЕ КОЛЬЦА ЭНДОМОРФИЗМОВ АБЕЛЕВОЙ ГРУППЫ
Рассматривается некоторый класс редуцированных смешанных абелевых групп, в котором исследование смешанных групп с коммутативным кольцом эндоморфизмов сводится к исследованию групп без кручения с коммутативным кольцом эндоморфизмов.
Ключевые слова: абелева группа, коммутативное кольцо эндоморфизмов.
В монографии [1] поставлена проблема 15: «Свести исследование смешанных групп с нётеровыми справа, полупервичными или коммутативными кольцами эндоморфизмов к исследованию групп без кручения с соответствующими кольцами эндоморфизмов». В этой статье данная задача решается для групп с коммутативным кольцом эндоморфизмов из некоторого класса К. Заметим, что периодические, расщепляемые и некоторый класс смешанных групп, имеющих коммутативное кольцо эндоморфизмов, описаны в [2]. В [3] найдены некоторые необходимые и достаточные условия коммутативности кольца эндоморфизмов произвольной смешанной абелевой группы. Все группы, рассматриваемые здесь, являются абелевыми.
Введем некоторые обозначения: Е(А) - кольцо эндоморфизмов группы А; Тр (А) - р-компонента периодической части группы А; Q - группа рациональных
чисел; 2 (рш) - квазициклическая группа; Qp - группа всех рациональных чисел со знаменателем, взаимно простым с р; Jр - группа целых р-адических чисел;
*
Qp - кольцо целых р-адических чисел; 2 (т) - циклическая группа порядка т ; < а > - циклическая группа, порожденная элементом а; о(а) - порядок элемента а; Ъ-А (а) - высота элемента а в группе А; 2т - кольцо вычетов по модулю т; (т,п) - наибольший общий делитель натуральных чисел т и п; Р - множество всех простых чисел. Все понятия и обозначения, которые не поясняются, являются стандартными, их можно найти, например, в [1, 4 или 5].
Рассмотрим, предварительно, следующий простой факт, который будем использовать в дальнейшем.
Напомним, что матрица (а^) с элементами из кольца Е(А), называется сходящейся по столбцам, если для каждого столбца / сумма ^а^ существует в ко]
нечной топологии кольца Е(А) [5, гл. XV, §106, §107].
Лемма 1. Пусть группа А разлагается в прямую сумму своих подгрупп, то есть А = @А. Кольцо Е(А) коммутативно тогда и только тогда, когда коль/е/
цо Е(А) коммутативно и подгруппа Д является вполне характеристической для любого / е /.
Доказательство. Так как А = @А, то кольцо Е(А) изоморфно кольцу всех
/е/
сходящихся по столбцам / х / -матриц (а^/е/, где а/ е Нот(А, А;-) [5, гл. XV,
§106, теорема 106.1].
Пусть Е(А) - коммутативное кольцо, тогда Нот(А, А}- ) = 0 и Е(А) - коммутативное кольцо для любых /, ] е / . Вполне характеристичность подгруппы А, / е /, вытекает из [1, гл. 3, §19, лемма 19.1].
Обратное утверждение следует из условия и [5, гл. XV, § 106, упр. 4 а)].
Для группы О, такой, что Т(О) Ф 0, будем рассматривать множество п(О) = {р е Р | Тр(О) Ф 0}.
Следующая лемма, доказанная в [6], будет полезна в дальнейшем.
Лемма 2. Пусть А - делимая группа. Кольцо Е(А) является коммутативным тогда и только тогда, когда А = Q или А = 0 2(р“).
реп (А)
В нижеприведённом утверждении даётся описание нередуцированных групп с коммутативным кольцом эндоморфизмов.
Предложение 3. Пусть О = А0В - нередуцированная группа, где А - редуцированная, а В - делимая группы. Кольцо Е(О) является коммутативным тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:
1) В = Q либо В = 0 2(р“);
реп ( В)
к к
2) если А Ф 0, то А = 0 2 (р р), причём если А = 0 2 (р р) и
реп(А) реп(А)
В = 0 2 (р“), то п(А)Р|л(В) = 0.
реп ( В )
Доказательство. Так как О - нередуцированная группа, то она содержит ненулевую делимую часть. Пусть Е (О) - коммутативное кольцо. Тогда, как следует из леммы 2, В = Q или В = 0 2(р“).
реп( В)
Пусть А Ф 0. Покажем, что А является периодической группой. Допустим противное, то есть пусть существует элемент а е А , такой, что о(а) = “. Рассмотрим произвольный элемент 0 Ф Ь е В. Так как о(а) = “, то Нот((а), (Ь)) = (Ь) и, следовательно, существует 0 Ф фе Нот((а), (Ь)). Пусть /: (а) ^ А и ] : (Ь) ^ В, где /, ] - вложения. Так как В - делимая, а значит, инъективная группа, то существует гомоморфизм у : А ^ В, такой, что у/ = ]ф. Поскольку ]ф Ф 0, то у Ф 0. Гомоморфизм у легко продолжается до ненулевого эндоморфизма группы О. Следовательно, А - не вполне характеристическая подгруппа, что противоречит утверждению леммы 1. Таким образом, А - периодическая редуцированная
кр
группа. По лемме 1 кольцо Е(А) коммутативно, тогда А = 0 2 (р р) [1, гл. 3,
реп( А)
§ 19, следствие 19.3].
к
Пусть А = 0 2 (р р) и В = 0 2 (), тогда из [7, теорема 1] следует,
реп(А) реп(В)
что л(А)Р|л(В) = 0.
Обратно, если А = 0, то коммутативность кольца Е(О) следует из леммы 2.
к к Пусть А = 0 2(рр) и В = Q. Поскольку Нот(2(рр), 0 = 0,
реп( А)
к к к
Нот(2, 2(рр)) = 0 и Нот(2(рр), 2(д д)) = 0 при р Ф д, то подгруппы
кр
2 (р р) и Q являются вполне характеристическими в группе О. Так как Е(0 =
кр
[5, гл. XV, § 106, пример 4] и Е(2(р р)) = 2 к [1, гл. 1, § 3, пример 3.2] - ком-
рр
мутативные кольца, то по лемме 1 следует коммутативность кольца Е (О).
Пусть А = 0 2 (рр) и В = 0 2 (рш), причём л(А)Р|л(В) = 0. Тогда
реп(А) реп(В)
к
для каждого р еп(О) следует, что либо Тр (О) = 2(рр), либо Тр (О) = 2(). Поскольку в обоих случаях кольцо Е(Тр (О)) коммутативно и Тр (О) - вполне характеристическая подгруппа в группе О для каждого р е п(О), то по лемме 1 кольцо Е (О) коммутативно.
Определение 1. Будем говорить, что смешанная редуцированная группа О удовлетворяет условию конечности, если она не содержит ненулевые элементы, у которых р-высота равна бесконечности для всех р е п(О).
Определение 2. Будем называть смешанную редуцированную группу О с бесконечным числом ненулевых р-компонент р^р-группой, если естественное вложение 0 Тр (О) ^ О продолжается до р-чистого вложения О ^ П тр О).
реп(О) реп(О)
Таким образом, если О - рзр-группа, то, отождествляя группу О с её образом при таком вложении, можно считать, что 0 Тр (О) с О с П Тр (О), где О р-
реп (О) реп(О)
чиста в П Тр (О) для всех р е п(О). Заметим также, что понятие р-чистоты
реп (О )
(чистоты) эквивалентно здесь понятию р-сервантности (сервантности) подгруппы в группе.
Определение 3. Будем говорить, что смешанная редуцированная группа О принадлежит классу К, если выполняются следующие условия:
1) О = Тр (О)0Ер для любого р еп(О) ;
2) существует семейство дополнений {Ер} ер группы О, удовлетворяющее условию: если В = ^ Ер Ф 0, то существует В-высокая подгруппа А группы О,
реп(О)
содержащая Т(О), причём для любого простого числа д, такого, что дВ Ф В, следует, что дА = А..
Замечание 1. Пусть О - редуцированная смешанная группа, причём для каждого р е п(О) следует, что О = Тр (О)0Ер, рЕр = Ер и П Ер =0, тогда О
реп (О)
удовлетворяет условию конечности. Действительно, пусть существует элемент 0== g е О, такой, что Ир (g) = да для любого р е п(О). Так как g - ненулевой
элемент, то g е П Ер и, следовательно, найдётся такое д еп(О), что g е Ед.
реп (О )
Поскольку О = Тд (О)0Ед , то g = Яд + бд , где 0 = Од е ^ (О ^ вд е Ер
и g е Ед, причём Ад (вд) = да и Ад (ад) = 5 < да. Тогда имеем
да = Нд (g) = шш{ Нд (ад), Ад (вд)} = 5, что приводит к противоречию.
Теорема 4. Пусть О е К. Кольцо Е(О) является коммутативным тогда и
только тогда, когда для каждого р е п(О) следует, что О = Тр (О)0Ер,
кр
рЕр = Ер , где Тр (О) = 2 (р р), кр е N, для каждого р е п(О) подгруппа Ер определена однозначно, причём выполняется одно из следующих условий:
1) если ^ Ер =0, то группа О является р5р-группой;
реп(О)
2) если ^ Ер = 0, то О = А0( ^ Ер), где
реп(О) реп(О)
a) если А - смешанная группа, то А удовлетворяет условиям конечности и является р5р-группой;
b) дА = А для любого простого числа д, такого, что д( П ер ) Ф П ер ;
реп(О) реп(О)
c) П Ер - группа без кручения с коммутативным кольцом эндоморфизмов.
реп (О)
Доказательство. Необходимость. Пусть Е(О) - коммутативное кольцо, то-
кр
гда Т(О) = 0 2(р р) (кр е Щ [1, гл. 3, § 19, предложение 19.6]. Таким обра-
реп (О )
кр
зом, Тр (О) = 2(рр) (кр е N) для каждого р еп(О). Так как О е К, то
О = Тр (О)0Ер для каждого р е п(О) и для некоторой вполне характеристической подгруппы Ер (см. лемму 1). Поскольку Ер, р е п(О), - вполне характеристическая подгруппа в группе О, то для каждого р е п(О) подгруппа Ер определена однозначно. Покажем, что рЕр = Ер для каждого р е п(О). Допустим, что это не так, тогда существует гомоморфизм Ер/рЕр ^ Тр (О), композиция которого с каноническим Ер ^ Ер /рЕр была бы ненулевым гомоморфизмом из Ер в Тр (О). Поскольку ненулевой гомоморфизм из Ер в Тр (О) продолжается до эндоморфизма всей группы О, то получим противоречие с вполне характеристичностью подгруппы Ер. Таким образом, рЕр = Ер для каждого р е п(О). Следова-
тельно, рВ = В для всякого р е п(О), где В = П ер. Причем, если В = 0, то
реп (О )
В - группа без кручения.
Если П Ер =0, то группа О удовлетворяет условиям конечности (см. за-
реп (О)
мечание 1) и является рзр-группой [1, гл. 3, § 19, теорема 19.4]. Следовательно, условие 1) выполнилось.
Пусть П Ер = 0. Так как О е К, то существует В-высокая подгруппа А
реп(О)
группы О, содержащая Т(О), причём для любого простого числа д, такого, что дВ Ф В, следует, что дА = А..
Покажем, что О = А0В. Предварительно заметим, что если дВ Ф В, то В - д-чистая подгруппа в О. Действительно, пусть дВ Ф В и в О разрешимо уравнение д х = Ь е В, то есть существует g е О, такое, что д1 g = Ь. Так как g е О = Тр (О)0Ер для всякого р е п(О), то g = gp + вр для всякого р е п(О),
где gp е Тр (О) и вр е Ер. Тогда д^р = Ь - д1вр е Тр (О)ПЕр =0 для каждого р е п(О). Следовательно, Ь = д1вр для каждого р е п(О). Пусть Ь = д1вр и Ь = д1в5 для произвольных р,5 е п(О). Тогда д1 (вр - в5) = 0. Так как дВ Ф В, то д е п(О) и вр - в5 =0, то есть вр = в5 для произвольных р,5 е п(О). Поэтому вр е П Ер = В иВ - д-чистая подгруппа в О для всякого простого числа д,
реп( Р)
такого, что дВ Ф В. Для доказательства того, что О = А0В, достаточно показать [4, гл. II, § 9, лемма 9.9], что из равенства pg = Ь + а (g е О, Ь е В, а е А) непременно следует рЬ' = Ь для некоторого Ь' е В. Если рВ = В, то очевидно существует Ь' е В, такой, что рЬ' = Ь. Пусть рВ Ф В. Поскольку О е К и А - В-высокая подгруппа в группе О, то из рВ Ф В следует, что рА = А. Следовательно, найдётся элемент а' е А, такой, что ра' = а. Тогда из равенства pg = Ь + а получим, что р^ - а') = Ь. Так как рВ Ф В, то В - р-чистая подгруппа в группе О. Таким образом, существует элемент Ь' е В, такой, что рЬ' = Ь.
Покажем, что если А - смешанная группа, то А удовлетворяет условиям конечности и является р5р-группой. Докажем, что справедливо первое из этих условий. Допустим противное, то есть пусть существует 0 Ф а е А, такой, что Ар (а) = да для любого р еп(О). Здесь п(О) = п(А), поскольку В - группа без
кручения. Тогда о(а) = да и для любого р е п(О) рассмотрим разложение О = Тр (О)0Ер, то есть а = gp + вр, где gp е Ор и вр е Ер. Если gp ф 0, то да = Ар (а) = шш{ Нр (gp), Нр (вр)} < да, что невозможно. Следовательно, для любого р е п(О) имеем а = вр е П Ер = В, то есть а е Ар|В = 0, что противоречит
реп (О )
предположению для элемента а. Таким образом, А удовлетворяет условию конечности. Покажем, что А является рзр-группой. Действительно, так как О = А0В, то по лемме 1 следует коммутативность кольца Е(А). Поскольку А - редуцированная смешанная группа и А удовлетворяет условию конечности, то А является р5р-группой [1, гл. 3, § 19, теорема 19.4].
Так как Е(О) - коммутативное кольцо и О = А0В, то коммутативность
кольца Е(В) следует из леммы 1.
Достаточность. Пусть для любого р е п(О) следует, что О = Тр (О)0Ер,
кр
где Тр (О) = 2 (р р), кр е N, рЕр = Ер и для каждого р е п(О) подгруппа Ер определена однозначно. Если П Ер =0, то группа О является рзр-группой и,
реп(О)
как следует из замечания 1, О удовлетворяет условию конечности. Тогда коммутативность кольца Е (О) вытекает из [1, гл. 3, § 19, теорема 19.4].
Если П Ер = 0, то выполняется условие 2), и пусть В = П Ер . Тогда
реп(О) реп(О)
О = А0В . Поскольку для любого р е п(О) следует, что рЕр = Ер, то рВ = В для любого р е п(О).
Если А - периодическая группа, то Е(О) - коммутативное кольцо [1, гл. 3, § 19, следствие 19.5]. Пусть А - смешанная группа. Тогда группа А удовлетворяет условию конечности, является р5р-группой и, следовательно, Е(А) - коммутативное кольцо [1, гл. 3, § 19, теорема 19.4].
Для коммутативности кольца Е(О), согласно лемме 1, достаточно показать, что А и В - вполне характеристические подгруппы в группе О. Допустим, что существуют Ь е В и ае Е (О), такие, что а(Ь) е В. Тогда а(Ь) = а + ё, где 0== а е А и ё еВ. Пусть п:О ^ А - проекция, тогда па(Ь) = а е А. Поскольку а = 0 и А - редуцированная группа, то существует простое число р, такое, что кр (а) < да. Так как О е К, то из того, что рА Ф А, следует, что рВ = В, то есть
кр (Ь) = да. Таким образом, эндоморфизм па е Е(О) понизил р-высоту элемента Ь
в группе О, что невозможно, то есть В - вполне характеристическая подгруппа в
О. Рассмотрим подгруппу А и допустим, что существуют ё е А и РеЕ(О), такие, что Р(ё) е А. Тогда Р(ё) = а + Ь, где а е А и Ь е В, причём Ь = 0. Пусть п : О ^ В - проекция, тогда (пР)(ё) = Ь. Поскольку В - редуцированная группа, то найдётся простое число д, такое, что кд (Ь) < да. Так как О е К, то из дВ Ф В следует, что дА = А, то есть кд (ё) = да. Таким образом, эндоморфизм пр е Е(О)
понизил д-высоту элемента ё в группе О, что невозможно. Следовательно, А -вполне характеристическая подгруппа в группе О.
Следующее предложение показывает, что класс К, в котором решается поставленная задача, является довольно широким. В частности, он содержит все смешанные редуцированные расщепляемые группы с коммутативным кольцом эндо-
морфизмов [1, гл. 3, § 19, следствие 19.5], все группы с коммутативным кольцом эндоморфизмов, описанные в теореме 19.4 [1].
Предложение 5. Если О - редуцированная смешанная группа с коммутативным кольцом эндоморфизмов, для которой выполняется одно из следующих условий:
1) О - расщепляемая группа;
2) О удовлетворяет условию конечности, то О е К.
Доказательство. Поскольку группа О имеет коммутативное кольцо эндоморфизмов, то, проведя аналогичные рассуждения, что и при доказательстве теоремы
4, имеем О = Тр (О)0Ер для любого р еп(О). Так как Ер - вполне характеристическая подгруппа группы О (см. лемму 1), то для каждого р е п(О) подгруппа Ер определена однозначно и Нот(Ер ,Тр (О)) = 0. Тогда рЕр = Ер для каждого р е п(О) (см. доказательство необходимости в теореме 4), и поэтому
д( П Ер)= П Ер для любого д е п(О). Так как в условии 2) группа О удов-
реп(О) реп(О)
летворяет условию конечности, то П Ер =0 и, следовательно, О е К. Рас-
реп(О)
смотрим условие 1). Пусть О = А0В - расщепляемая группа, где А = Т(О), В -группа без кручения. Поскольку П Ер - группа без кручения, то
реп (О )
П Ер с В. Так как В с Ер для любого р е п(О), то В с П Ер и, следова-
реп(О) реп(О)
тельно, В = П ер . Тогда для любого простого числа д, такого, что дВ Ф В,
реп (О)
следует, что д еп(О), и поэтому дА = А.. Группа А - В-высокая подгруппа в
группе О как прямое слагаемое этой группы. Поскольку А = Т (О), то О е К.
Следующий простой пример показывает, что класс К строго содержит классы групп с коммутативным кольцом эндоморфизмов, описанные в предложении 5.
Пример 1. Пусть О = П 2(р)0 П Ад, где Р1, Р2 с Р, | Р1 |=| Р2 |= К0,
рер деР2
РПР2 = 0; для любого д е Р2 следует, что Ад = 0>д или Ад = Jд, тогда О е К и
кольцо Е(О) коммутативно.
Доказательство. Покажем, что группа О принадлежит классу К. Действительно, поскольку рАд = Ад для любого простого числа р Ф д, то для любого
р е Р \ Р2 следует, что р( П -А,)- П -А,. Поскольку РПр2 = 0, то для каждо-
деР2 деР2
го р е Р1 из равенства О = 2 (р)0Ер имеем рЕр = Ер , то есть Ер - вполне характеристическая подгруппа в группе О и, следовательно, для каждого р е п(О) подгруппа Ер определена однозначно. Заметим также, что
П ер - П Ад и д( П 2 (р))= П 2 (р) для любого д е Р2. Так как П 2 (р)
реР1 деР2 реР1 реР1 реР1
является П Ад -высокой подгруппой в группе О как прямое слагаемое этой
деР2
группы и Т(О) с П 2 (р), то О е К.
реР1
Поскольку Е(Ад) - коммутативное кольцо для любого д е Р2 и рАд = Ад для
любого простого числа р Ф д, то П Е(А ) - коммутативное кольцо.
деР2
Группа П 2 (р) удовлетворяет условию конечности. Отождествляя
реР1
0 2 (р) и Т(П 2 (р)), можно считать, что П 2 (р) является рзр-группой. Та-
реР1 реР1 реР1
ким образом, группа О удовлетворяет условию 2) теоремы 4 и, следовательно, кольцо Е (О) коммутативно.
В следующем примере рассмотрим способ построения некоторых групп из класса К с коммутативным кольцом эндоморфизмов.
Пример 2. Пусть О = А0В, где В - редуцированная группа без кручения с
коммутативным кольцом эндоморфизмов и группа А удовлетворяет условиям:
1) А е К;
2) кольцо Е(А) коммутативно;
3) рА = А для любого простого числа р, такого, что рВ Ф В, тогда кольцо Е(О) коммутативно и О е К.
Доказательство. Из условия 3) следует вполне характеристичность подгрупп А и В в группе О, тогда, согласно лемме 1, кольцо Е(О) коммутативно. Покажем, что группа О принадлежит классу К. Действительно, поскольку А е К и Е(А) -коммутативное кольцо, то А = Тр (А)0Ер и рЕр = Ер для всякого р еп(А). Поскольку Т(О) = Т(А), то п(О) = п(А). Тогда для каждого р еп(О) имеем О = Тр (О)0Ер, где Е'р = Ер 0В - вполне характеристическая подгруппа в группе О. Следовательно, для каждого р е п(О) подгруппа Е’р определена однозначно. Так как рЕр = Ер и рВ = В для каждого р е п(О), то рЕ'р = Е'р для каждого р е п(О). Поскольку П Е'р Ф 0, подгруппа А в группе О является В-
реп(О)
высокой, Т(О) с А и для любого простого числа д, такого, что дВ Ф В, следует, что дА = А, тогда группа О е К.
Замечание 2. Если смешанная редуцированная группа О имеет коммутативное кольцо эндоморфизмов, то ответ на вопрос: «Принадлежит ли данная группа классу К?» - можно получить, проверив только одно условие в определении 3. Действительно, из коммутативности кольца Е(О) для каждого р е п(О) следует
равенство О = Тр (О)0Ер, из которого для каждого р е п(О) имеем, что
pEp = Ep. Тогда Ep - вполне характеристическая подгруппа в группе G и, следовательно, для каждого p en(G) подгруппа Ep определена однозначно.. Если B = ^ Ep = 0, то G удовлетворяет условию конечности и по предложению 5
pen (G )
принадлежит классу K. Если B = ^ Ep Ф 0, то B - группа без кручения и
pen(G)
T(G)P|B = 0. Тогда нетрудно показать, что всегда существует B-высокая подгруппа A группы G, содержащая T(G). Поэтому для проверки принадлежности группы G классу K остаётся проверить только условие: для любого простого числа q, такого, что qB Ф B, должно выполняться равенство qA = A.
Таким образом, из замечания 2 следует, что для решения задачи в проблеме 15, относящейся к смешанным группам с коммутативным кольцом эндоморфизмов, остаётся описать смешанные редуцированные группы G с коммутативным кольцом эндоморфизмов, у которых для ненулевой подгруппы без кручения B, определённой в замечании 2), и для любой B-высокой подгруппы A, содержащей T(G), существует простое число p, такое, что pB Ф B и pA Ф A, либо доказать, что таких групп G с коммутативным кольцом эндоморфизмов и указанным свойством не существует.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крылов П.А., Михалев А.В., Туганбаев А.А. Связи абелевых групп и их колец эндоморфизмов. Томск: ТГУ, 2002.
2. Szele T., Szendrei J. On Abelian groups with commutative endomorphism ring // Acta Math. Acad. Sci. Hungar. 1951. V. 2. No. 3 - 4. P. 309 - 324.
3. Schultz P. On a paper of Szele and Szendrei on groups with commutative endomorphism rings // Acta Math. Acad. Sci. Hungar. 1973. V. 24. No. 1 - 2. P. 59 - 63.
4. Фукс Л. Бесконечные абелевы группы. М.: Мир, 1974. Т. 1.
5. Фукс Л. Бесконечные абелевы группы. М.: Мир, 1977. Т. 2.
6. Чехлов А.Р. О скобке Ли эндоморфизмов абелевых групп // Вестник Томского госуни-верситета. Математика и механика. 2009. № 2(6). С. 78 - 84.
7. Гриншпон С.Я. О равенстве нулю группы гомоморфизмов абелевых групп // Изв. вузов. Математика. 1998. № 9. С. 42 - 46.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ:
МИСЯКОВ Виктор Михайлович - доцент, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры алгебры механико-математического факультета Томского государственного университета. E-mail: [email protected]
Статья принята в печать 31.05.2010 г.