Direkte Summe von Teilräumen

Eine Summe i=1nUi\sum\limits_{i=1}^n U_i von Untervektorräumen U1,,UnVU_1,\dots,U_n \subset V heisst direkt, wenn jedes Element xi=1nUix \in \sum\limits_{i=1}^n U_i eine eindeutige Darstellung x=x1+xnx = x_1 + \dots x_n mit i=1nxiUi\forall_{i=1}^n\, x_i \in U_i besitzt. Schreibweise für die direkte Summe: Ui\bigoplus U_i beziehungsweise U1UnU_1 \oplus \dots \oplus U_n. Gilt V=U1U2V = U_1 \oplus U_2, so heisst U2U_2 das (Vektorraum)-Komplement von U1U_1 (und umgekehrt).
 
 

Satz 816K (Kriterium für direkte Summe)

i=1nUi\sum\limits_{i=1}^n U_i ist direkte Summe     j=1nUji=1(ij)nUi={0}\iff \forall_{j=1}^n\, U_j \cap \sum\limits_{\underset{(i\ne j)}{i=1}}^n U_i = \{ 0 \}. Spezialfall (n=2n=2): U1+U2U_1 + U_2 ist direkte Summe     U1U2={0}\iff U_1 \cap U_2 = \{ 0 \} vgl. Satz 15X2.

Beweis

\Rightarrow: Ein Element xUjijUix \in U_j \cap \sum\limits_{i\ne j} U_i besitzt wegen x=x1++xj1+xj+1++xnx = x_1 + \dots + x_{j-1} + x_{j+1} + \dots + x_n mit xiUix_i \in U_i (i=1,,n,iji=1,\dots,n, i \ne j) die beiden Darstellungen
x=0U1++x(j)Uj++0Un=x = \underset{U_1}{0} + \dots + \underset{U_j}{\stackrel{(j)}{x}} + \dots + \underset{U_n}{0} = und
x=x1U1++0Uj++xni=1nUi x= \underset{U_1}{x_1} + \dots + \underset{U_j}{0} + \dots + x_n \in \sum\limits_{i=1}^n U_i
die nach Voraussetzung übereinstimmen müssen. Also ist x=0x=0. \Leftarrow: Seien x=x1++xn=y1++ynx = x_1 + \dots + x_n = y_1 + \dots + y_n zwei Darstellungen mit jeweils xi,yiUix_i,y_i \in U_i (i=1,,ni=1,\dots,n). Für jedes j{1,,n}j \in \{ 1,\dots,n \} folgt dann wegen 0=(x1y1)+(x2y2)++(xnyn)0 = (x_1-y_1) + (x_2-y_2) + \dots + (x_n-y_n) =ij(xjyj)Uj = \underbrace{\sum\limits_{i\ne j}(x_j-y_j)}_{\in U_j} also nach Voraussetzung: xi=yix_i = y_i. Die Darstellungen von xx und yy stimmen überein. \qed

Strukturen sind die Waffen der Mathematiker.

N. Bourbaki

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