Trong toàn bộ đoạn này, tôi ký hiệu một tập tiền thứ tự không rỗng bởi I, và α≤β là quan hệ tiền thứ tự trên I. Khái niệm hệ ngược (tương ứng hệ trực tiếp) của các tập hợp đối với tập chỉ số I được định nghĩa trong Lý thuyết tập hợp, III, § 7, no. 1 (tương ứng Lý thuyết tập hợp, III, § 7, no. 5, dưới giả thiết rằng I có hướng phải).
1. Các hệ ngược của các magma
Định nghĩa 1
Một hệ ngược của các magma đối với tập chỉ số I là một hệ ngược của các tập hợp* (Eα,fαβ)đối với I, mỗiEαcó một cấu trúc magma và mỗifαβ *là một đồng cấu magma.
Cho (Eα,fαβ) là một hệ ngược của các magma mà các luật được viết theo phép nhân. Tập giới hạn ngược E=lim←Eα là một tập con của magma tích ∏α∈IEα gồm các họ (xα)α∈I sao cho xα=fαβ(xβ) với α≤β. Nếu (xα) và (yα) thuộc E, thì với α≤β, xα=fαβ(xβ) và yα=fαβ(yβ), do đó xαyα=fαβ(xβ)fαβ(yβ)=fαβ(xβyβ); do đó E là một magma con của ∏α∈IEα. E sẽ được trang bị luật cảm sinh bởi luật trên ∏α∈IEα; magma thu được được gọi là
† Ta tránh thuật ngữ hiện hành trong đó dương có nghĩa là >0.
magma giới hạn ngược của các magma Eα. Nó có tính chất phổ quát sau:
(a) Với mọi α∈I, ánh xạ chính tắc fα của E vào Eα là một đồng cấu magma từ E vào Eα. fα=fαβ∘fβ với α≤β.
(b) Giả sử một magma F được cho và các đồng cấu uα:F→Eα sao cho uα=fαβ∘uβ với α≤β. Có duy nhất một đồng cấu u:F→E sao cho uα=fα∘u với mọi α∈I (cụ thể là x↦u(x)=(uα(x))α∈I).
Nếu các magma Eα là kết hợp (tương ứng giao hoán), thì E cũng vậy. Giả sử mỗi magma Eα thừa nhận một phần tử đơn vị eα và các đồng cấu fαβ là có đơn vị. Khi đó e=(eα)α∈I thuộc E vì eα=fαβ(eβ) với α≤β và nó là một phần tử đơn vị của magma E; với ký hiệu trên, các đồng cấu fα là có đơn vị và nếu các uα là có đơn vị thì u là có đơn vị. Hơn nữa, một phần tử x=(xα)α∈I của E là khả nghịch khi và chỉ khi mỗi xα là khả nghịch trong magma tương ứng Eα và x−1=(xα−1)α∈I; điều này suy ra từ công thức fαβ(xβ−1)=fαβ(xβ)−1=xα−1 với α≤β.
Từ các nhận xét này có thể suy ra rằng nếu các magma Eα là các nửa nhóm có đơn vị (tương ứng nhóm) và các fαβ là các đồng cấu nửa nhóm có đơn vị, thì magma E là một nửa nhóm có đơn vị (tương ứng một nhóm). Trong trường hợp này ta nói đến một hệ ngược của các nửa nhóm có đơn vị (tương ứng nhóm). Tính chất phổ quát chuyển ngay sang trường hợp này.
Để người đọc tự định nghĩa một hệ ngược các vành (Eα,fαβ) và kiểm chứng rằng E=lim←Eα là một vành con của vành tích ∏α∈IEα, được gọi là vành giới hạn ngược của các vành Eα; có thể kiểm chứng rằng tính chất phổ quát mở rộng đến trường hợp này.
Cho C=(Eα,fαβ) và C′=(Eα′,fαβ′) là hai hệ ngược của các magma (tương ứng là nửa nhóm, nhóm, vành) đối với cùng một tập chỉ số. Một đồng cấu từ C vào C′ là một hệ ngược (uα)α∈I của các ánh xạ uα:Eα→Eα′ sao cho mỗi uα là một đồng cấu. Trong các điều kiện này, ánh xạ u=lim←uα từ lim←Eα vào lim←Eα′ là một đồng cấu (xem Lý thuyết tập hợp , III, § 7, no. 2).
2. Giới hạn ngược của các tác động
Giả sử đã cho hai hệ ngược của các tập hợp (Ωα,ϕαβ) và (Eα,fαβ) đối với cùng một tập chỉ số I. Giả sử rằng với mọi α∈I đã cho một tác động của Ωα lên Eα sao cho
(1)
fαβ(ωβxβ)=ϕαβ(ωβ)⋅fαβ(xβ)
cho α≤β,xβ∈Eβ,ωβ∈Ωβ. Khi đó họ các tác động được xét được gọi là một hệ ngược của các tác động. Đặt Ω=lim←Ωα và E=lim←Eα; nếu x=(xα)α∈I thuộc E và ω=(ωα)α∈I thuộc Ω, thì ω.x=(ωα.xα)α∈I thuộc E theo (1). Như vậy một tác động của Ω lên E được định nghĩa, gọi là giới hạn ngược của các tác động của Ωα lên Eα.
Điều trên đặc biệt áp dụng trong trường hợp các Ωα là các nửa nhóm và mỗi tác động của Ωα lên Eα là một phép toán. Khi đó giới hạn ngược của các phép toán này là một phép toán của nửa nhóm trên E.
Để người đọc tự định nghĩa giới hạn ngược của một hệ ngược các nhóm có toán tử và kiểm chứng rằng giới hạn này là một nhóm có toán tử.
3. Các hệ trực tiếp của các magma
Trong số này và các số tiếp theo ta giả sử rằng I là có hướng phải.
Định nghĩa 2
Một hệ trực tiếp của các magma đối với tập chỉ số I là một hệ trực tiếp của các tập hợp* (Eα,fβα)đối với I, mỗiEαcó một cấu trúc magma và mỗifβα *là một đồng cấu magma.
Cho (Eα,fβα) là một hệ trực tiếp của các magma. E sẽ ký hiệu tập giới hạn trực tiếp lim⟶Eα và fα là ánh xạ chính tắc của Eα vào E. Nhắc lại rằng
(2)
fβ∘fβα=fαcho α≤β,
(3)
E=α∈I⋃fα(Eα).
Theo (2), cũng có
(4)
fα(Eα)⊂fβ(Eβ)cho α≤β.
Nếu xα,yα∈Eα là sao cho fα(xα)=fα(yα), tồn tại một β≥α sao cho fβα(xα)=fβα(yα).
Mệnh đề 1
Trên E tồn tại duy nhất một cấu trúc magma sao cho các ánh xạ* fα:Eα→Elà các đồng cấu. Nếu các magmaEαlà kết hợp (tương ứng giao hoán), thì E cũng vậy. Nếu các magmaEαvà đồng cấufβαlà có đơn vị, thì magma E và các đồng cấufα *cũng vậy.
Các magma Eα sẽ được viết theo phép nhân.
Cho x,y thuộc E. Tồn tại α thuộc I và xα,yα thuộc Eα sao cho x=fα(xα) và y=fα(yα). Nếu tồn tại một cấu trúc magma trên E mà fα là một đồng cấu, thì x.y=fα(xαyα), do đó có tính duy nhất của cấu trúc magma này.
Để chứng minh sự tồn tại, ta phải chứng minh rằng với α,β thuộc I, xα,yα thuộc Eα và xβ′,yβ′ thuộc Eβ, các hệ thức
(5)
fα(xα)=fβ(xβ′),fα(yα)=fβ(yβ′)
suy ra fα(xαyα)=fβ(xβ′yβ′). Với γ≥α và γ≥β, đặt xγ=fγα(xα), yγ=fγα(yα),xγ′=fγβ(xβ′),yγ′=fγβ(yβ′). Theo định nghĩa của giới hạn trực tiếp, tồn tại γ thuộc I sao cho γ≥α,γ≥β,xγ=xγ′,yγ=yγ′. Khi đó
và do đó tồn tại một phần tử e trong E sao cho fα(eα)=e với mọi α∈I. Cho x thuộc E; chọn α∈I và xα∈Eα sao cho x=fα(xα). Khi đó
ex=fα(eα)⋅fα(xα)=fα(eα⋅xα)=fα(xα)=x
và tương tự x⋅e=x, do đó e là phần tử đơn vị của E.
Magma E được gọi là giới hạn trực tiếp của các magmaEα.
Mệnh đề 2
Cho* (Eα,fβα)là một hệ trực tiếp của các magma và choElà giới hạn trực tiếp của nó vớifα:Eα→Elà các đồng cấu chính tắc. Giả sử một magmaFvà các đồng cấuuα:Eα→Fđược cho sao chouα=uβ∘fβαđối vớiα≤β. Tồn tại một và chỉ một đồng cấuu:E→Fsao chouα=u∘fαvới mọiα∈I. Nếu các magmaEαvàFcũng như các đồng cấufβαvàuαđều có đơn vị, thì đồng cấuu *có đơn vị.
Ta biết (Lý thuyết tập hợp, III, § 7, no. 6, Mệnh đề 6) rằng tồn tại một và chỉ một ánh xạ u:E→F sao cho uα=u∘fα với mọi α∈I. Ta kiểm tra rằng u là một đồng cấu: cho x,y là các phần tử của E, α thuộc I và xα,yα thuộc Eα sao cho x=fα(xα) và y=fα(yα). Khi đó xy=fα(xαyα), do đó
Bây giờ ta xét trường hợp có đơn vị và ký hiệu eα là phần tử đơn vị của Eα, e là phần tử đơn vị của E và e′ là phần tử đơn vị của F. Chọn α∈I, khi đó e=fα(eα), do đó
u(e)=u(fα(eα))=uα(eα)=e′
vì uα có đơn vị. Suy ra u có đơn vị.
Tương tự như khái niệm hệ trực tiếp của các magma, ta có thể xây dựng khái niệm hệ trực tiếp của các nửa nhóm hoặc nhóm. Mệnh đề 1 chỉ ra rằng magma E là giới hạn của một hệ trực tiếp của các nửa nhóm (Eα,fβα)α,β∈I là một nửa nhóm. Ta chứng minh rằng E là một nhóm nếu các Eα là các nhóm: cho x∈E,α∈I và xα∈Eα sao cho x=fα(xα); phần tử y=fα(xα−1) của E là phần tử nghịch đảo của x (§ 2, no. 3). Tính chất phổ quát của Mệnh đề 2 được chuyển ngay lập tức sang trường hợp của một hệ trực tiếp của các nửa nhóm hoặc nhóm.
Người đọc được để lại việc định nghĩa một hệ trực tiếp các vành. Cho (Aα,fβα) là một hệ trực tiếp như vậy; đặt A=limAα và fα:Aα→A là các đồng cấu chính tắc. Trên A tồn tại duy nhất một phép cộng và phép nhân (Mệnh đề 2) được đặc trưng bởi x+y=fα(xα+yα),xy=fα(xαyα) với α∈I,xα,yα thuộc Aα và x=fα(xα),y=fα(yα). Đối với phép cộng, A là một nhóm giao hoán và phép nhân là kết hợp và có đơn vị. Cuối cùng, với x,y,z thuộc A, chọn α trong I và xα,yα và zα trong Aα sao cho
và quan hệ x(y+z)=xy+xz được chứng minh tương tự. Nói cách khác, A có cấu trúc của một vành, được đặc trưng bởi tính chất fα là một đồng cấu vành với mọi α∈I.
Vành A được gọi là giới hạn trực tiếp của các vành Aα. Mệnh đề 2 mở rộng ngay lập tức sang trường hợp các vành.
Mệnh đề 3
(a) Nếu các Aα khác không, thì A khác không. (b) Nếu các Aα là các miền nguyên, thì A là một miền nguyên. (c) *Nếu các Aα là các trường, thì A là một trường.
Gọi 0α,1α lần lượt là phần tử không và phần tử khả nghịch của Aα và 0, 1 lần lượt là phần tử không và phần tử khả nghịch của A. Tồn tại α∈I sao cho fα(0α)=0,fα(1α)=1. Nếu 0=1, tồn tại β≥α sao cho fβα(0α)=fβα(1α), tức là 0β=1β. Điều này chứng minh (a).
Giả sử các Aα là các miền nguyên. Khi đó A là giao hoán và khác không theo (a). Cho x,y là các phần tử của A sao cho xy=0. Tồn tại α∈I và xα,yα∈Aα sao cho x=fα(xα),y=fα(yα). Khi đó fα(xαyα)=xy=0=fα(0α). Do đó tồn tại β≥α sao cho fβα(xαyα)=fβα(0α). Vì Aβ là một miền nguyên, suy ra fβα(xα)=0β hoặc fβα(yα)=0β, do đó x=0 hoặc y=0. Điều này chứng minh (b).
Giả sử các Aα là các trường. Khi đó A={0} theo (a). Cho x là một phần tử khác không của A. Tồn tại α∈I và xα∈Aα sao cho x=fα(xα). Khi đó xα=0 và fα(xα−1) là nghịch đảo của x trong A. Điều này chứng minh (c).
Cho E=(Eα,fβα) và E′=(Eα′,fβα′) là hai hệ trực tiếp của các magma (tương ứng là các monoid, nhóm, vành). Một đồng cấu của E vào E′ là một hệ trực tiếp (uα)α∈I của các ánh xạ uα:Eα→Eα′ sao cho mỗi uα là một đồng cấu. Dưới các điều kiện này, ánh xạ u=limuα từ E=limEα đến E′=limEα′ là một đồng cấu (xem Lý thuyết tập hợp, III, § 7, no. 6).
4. Giới hạn trực tiếp của các tác động
Giả sử đã cho hai hệ trực tiếp của các tập hợp (Ωα,ϕβα) và (Eα,fβα) đối với cùng một tập chỉ số I và với mỗi α∈I một tác động của Ωα lên Eα. Giả sử rằng
fβα(ωα⋅xα)=ϕβα(ωα)⋅fβα(xα)
với α≤β,ωα∈Ωα và xα∈Eα. Khi đó họ các tác động đang xét được gọi là một hệ trực tiếp của các tác động. Dễ dàng kiểm tra như trong Mệnh đề 2 rằng tồn tại một tác động h của Ω=limΩα lên E=limEα được mô tả như sau: cho ω∈Ω và x∈E; chọn α∈I và ωα∈Ωα,xα∈Eα sao cho ω=ϕα(ωα) và x=fα(xα) (ϕα:Ωα→Ω và fα:Eα→E biểu thị các ánh xạ chính tắc); khi đó ω⋅x=fα(ωα⋅xα). Tác động của Ω lên E được gọi là giới hạn trực tiếp của các tác động của các Ωα lên các Eα.
Nếu các Ωα là các monoid và mỗi tác động của Ωα lên Eα là một phép toán, thì tác động giới hạn trực tiếp là một phép toán.
Người đọc được yêu cầu định nghĩa giới hạn trực tiếp của một hệ trực tiếp của các nhóm với toán tử và kiểm tra rằng giới hạn này là một nhóm với toán tử.