फ्री एबेलियन ग्रुप

गणित में, फ्री एबेलियन समूह आधारक के रूप में एबेलियन समूह होता है। एबेलियन समूह होने का मतलब है कि यह एक अतिरिक्त संचालन के साथ सेट है, जो कि साहचर्य, क्रमविनिमेय और व्युत्क्रमणीय होते है। एक आधार, जिसे एक अभिन्न आधार भी कहा जाता है, एक उपसमुच्चय, जैसे कि समूह के प्रत्येक तत्व को विशिष्ट रूप से कई आधारक तत्त्व के पूर्णांक रैखिक संयोजन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, द्वि-आयामी पूर्णांक लैटिस फ्री एबेलियन समूह बनाती है, इसके संचालन के रूप में समन्वय के साथ, और इसके आधारक के रूप में दो बिंदु (1,0) और (0,1) के साथ बनाती है। एबेलियन समूहों में ऐसे गुण होते हैं जो उन्हें सदिश स्थानों के समान बनाते हैं, और समतुल्य मुक्त कहा जा सकता है $\mathbb {Z}$- मॉड्यूल, पूर्णांकों पर मुक्त मॉड्यूल होते है। लैटिस सिद्धांत वास्तविक संख्या वेक्टर रिक्त स्थान के मुक्त एबेलियन उपसमूहो का अध्ययन करता है। बीजगणितीय टोपोलॉजी मुफ्त एबेलियन समूहों का उपयोग श्रृंखला समूहों को परिभाषित करने के लिए किया जाता है, और बीजगणितीय ज्यामिति में विभाजक (बीजीय ज्यामिति) को परिभाषित करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।

आधारक के रूप में मुफ्त एबेलियन समूह के तत्व $B$ को कई समकक्ष विधियो द्वारा वर्णित किया जा सकता है। इनमें औपचारिक योग सम्मलित होते हैं, ऊपर $B$, रूप में अनुसरण होते हैं ${\textstyle \sum a_{i}b_{i}}$ जहां प्रत्येक $a_{i}$ अशून्य पूर्णांक है, प्रत्येक के लिए $b_{i}$ एक विशिष्ट आधारक तत्व होते है, और योग में निश्चित रूप से अनेक नियम होते हैं। वैकल्पिक रूप से, एक मुफ्त एबेलियन समूह तत्वों को हस्ताक्षरित बहुपदीय रूप में माना जा सकता है जिसमें $B$ का, बहुत से तत्व सम्मलित होते हैं, औपचारिक योग इसके गुणांक के बराबर बहुपदीय तत्व की बहुलता के साथ होता है। मुफ्त एबेलियन समूह के तत्व का प्रतिनिधित्व करने का अन्य विधि फलन के रूप में है, B पूर्णांकों के लिए बहुत से अशून्य मानों के साथ; इस कार्यात्मक प्रतिनिधित्व के लिए, समूह संचालन कार्यों का बिंदुवार योग होता है।

प्रत्येक सेट $B$ के साथ एक मुफ्त एबेलियन समूह $B$ के आधारक के रूप में होता है। यह समूह इस अर्थ में अद्वितीय है कि समान आधारक वाले प्रत्येक दो फ्री एबेलियन समूह तुल्याकारी हैं। इसके व्यक्तिगत तत्वों का वर्णन करके इसका निर्माण करने के अतिरिक्त, आधारक के साथ एक फ्री एबेलियन समूह $B$ को पूर्णांकों के योज्य समूह की प्रतियों के प्रत्यक्ष योग के रूप में बनाया जा सकता है, जिसमें प्रति सदस्य एक प्रति के साथ $B$. का वैकल्पिक रूप से, फ्री एबेलियन समूह आधारक के रूप में $B$ तत्वों के साथ एक समूह की प्रस्तुति द्वारा वर्णित किया जा सकता है, $B$ इसके जनरेटर के रूप में और इसके संबंधकों के रूप में सदस्यों के योग े के कम्यूटेटर के साथ, फ्री एबेलियन समूह के एक एबेलियन समूह की रैंक एक आधारक की प्रमुखता है; एक ही समूह के लिए प्रत्येकदो आधारक एक ही रैंक देते हैं, और एक ही रैंक के साथ प्रत्येकदो मुक्त एबेलियन समूह आइसोमोर्फिक होते हैं। फ्री एबेलियन समूह का प्रत्येक उपसमूह स्वयं मुक्त एबेलियन समूह होता है; यह तथ्य एक सामान्य एबेलियन समूह को "संबंधों" द्वारा एक मुक्त एबेलियन समूह भागफल समूह के रूप में, या मुक्त एबेलियन समूहों के बीच एक इंजेक्टिव होमोमोर्फिज्म के कोकर्नेल के रूप में समझने की अनुमति देता है। केवल मुफ्त एबेलियन समूह वो मुक्त समूह हैं, जिसमे तुच्छ समूह और अनंत चक्रीय समूह सम्मलित होते हैं।

परिभाषा और उदाहरण

यूक्लिडियन विमान में एक नियम किन्हीं भी दो नीले लैटिसबिंदुओं को योग ने से एक और लैटिसबिंदु बनता है; इस अतिरिक्त ऑपरेशन द्वारा गठित समूह एक फ्री एबेलियन समूह है।

फ्री एबेलियन समूह एक एबेलियन समूह है, जिसका एक आधारक है। यहाँ, एक एबेलियन समूह होने का अर्थ है कि यह एक सेट द्वारा वर्णित है $S$ इसके तत्वों और द्विआधारी संक्रिया पारंपरिक रूप से एक योगात्मक समूह के रूप में निरूपित किया जाता है $+$ चिन्ह (चूँकि यह आवश्यक नहीं है कि संख्याओं का सामान्य योग हो) जो निम्नलिखित गुणों का पालन करते हैं:

• संचालन $+$ क्रमविनिमेय और सहचारिता है, जिसका अर्थ सभी तत्वों के लिए है $x$, $y$, and $z$ of $S$, $x+y=y+x$ और $(x+y)+z=x+(y+z)$. इसलिए, जब दो या दो से अधिक तत्वों का संयोजन होता है $S$ इस सिद्धांत का उपयोग करते हुए, तत्वों का क्रम और समूहन परिणाम को प्रभावित नहीं करता है।
• $S$ एक तत्समक तत्व सम्मलित होते है पारंपरिक रूप से चिह्नित $0$) उस गुण के साथ जो प्रत्येक तत्व के लिए,

तत्व$x$, $x+0=0+x=x$.

• प्रत्येक तत्व $x$ में $S$ का एक प्रतिलोम तत्त्व है $-x$, जैसा कि $x+(-x)=0$.

आधारक एक उपसमुच्चय $B$ के तत्वों में से $S$ उस गुण के साथ प्रत्येक तत्व $S$ बहुत से आधारक तत्त्व को चुनकर एक विशिष्ट विधि से बनाया जा सकता है $b_{i}$ का $B$, अशून्य पूर्णांक का चयन $k_{i}$ प्रत्येक चुने हुए आधार तत्वों के लिए, और एक साथ योग ना $k_{i}$आधारक तत्त्व की प्रतियां $b_{i}$ जिसके लिए $k_{i}$ सकारात्मक है, और $-k_{i}$ की प्रतियां $-b_{i}$ प्रत्येक आधारक तत्व जिसके लिए $k_{i}$ ऋणात्मक है।। एक विशेष स्थितियों के रूप में, तत्समक तत्व सदैव इस तरह से शून्य आधारक तत्त्व के संयोजन के रूप में बनाया जा सकता है, रिक्त योग के लिए सामान्य पारम्परिक के अनुसार, और तत्समक का प्रतिनिधित्व करने वाले किसी अन्य संयोजन को खोजना संभव नहीं होना चाहिए।

पूर्णांक $\mathbb {Z}$, सामान्य योग संचालन के अनुसार, एक फ्री एबेलियन समूह बनाते हैं $\{1\}$.पूर्णांक क्रमविनिमेय और सहचारिता हैं, 0 के साथ योगात्मक पहचान के रूप में और प्रत्येक पूर्णांक के साथ एक योज्य व्युत्क्रम, इसकी अस्वीकृति है। प्रत्येक गैर-नकारात्मक $x$ का योग है $x$ कि प्रतियां  $1$, और प्रत्येक नकारात्मक पूर्णांक $x$ का योग है $-x$ प्रतियां of $-1$, तो आधारक गुण भी संतुष्ट होते है।

एक उदाहरण जहां समूह संचालन संख्याओं के सामान्य योग से भिन्न होता है, सकारात्मक परिमेय संख्याओं द्वारा दिया जाता है $\mathbb {Q} ^{+}$, जो संख्याओं पर सामान्य गुणन संक्रिया और उनके आधार पर अभाज्य संख्याओं के साथ एक मुक्त एबेलियन समूह बनाते हैं। गुणन संख्या के साथ क्रमविनिमेय और साहचर्य होते है $1$ इसकी पहचान के रूप में और साथ $1/x$ प्रत्येक धनात्मक परिमेय संख्या के व्युत्क्रम तत्व के रूप में संख्या $x$. तथ्य यह है कि अभाज्य संख्याएँ इन संख्याओं के गुणा के लिए एक आधार बनाती हैं, जो अंकगणित के मौलिक प्रमेय से अनुसरण करती हैं, जिसके अनुसार प्रत्येक सकारात्मक पूर्णांक को विशिष्ट रूप से कई अभाज्यों या उनके व्युत्क्रमों के उत्पाद में विशिष्ट रूप से गुणनखंडित किया जा सकता है। यदि $q=a/b$ एक धनात्मक परिमेय संख्या है जिसे सरल शब्दों में व्यक्त किया जाता है $q$ को गुणनखंडों में प्रकट होने वाले अभाज्य संख्याओं के परिमित संयोजन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है $a$ और $b$. इस संयोजन में उपयोग किए जाने वाले प्रत्येक अभाज्य की प्रतियों की संख्या के गुणनखंड में इसका घातांक है $a$, या गुणनखंडन में इसके प्रतिपादक का निषेधन का $b$.

एकल के बहुपद परिवर्ती $x$, पूर्णांक गुणांकों के साथ, ऊर्जा के साथ बहुपद योग के अनुसार एक फ्री एबेलियन समूह बनाते हैं $x$ आधारक रूप से। एक अमूर्त समूह के रूप में, यह धनात्मक परिमेय संख्याओं के गुणात्मक समूह (एक समरूपी समूह) के समान है। इन दो समूहों को एक दूसरे से मैप करने का एक विधि, यह दिखाते हुए कि वे आइसोमॉर्फिक हैं, के प्रतिपादक की पुनर्व्याख्या करना है परिमेय के गुणक समूह में $i$th इसके अतिरिक्त अभाज्य संख्या का गुणांक दे रहा है $x^{i-1}$ संबंधित बहुपद में, या इसके विपरीत। उदाहरण के लिए परिमेय संख्या $5/27$ के घातांक हैं $0,-3,1$ पहले तीन अभाज्य संख्याओं के लिए $2,3,5$ और इस तरह बहुपद के अनुरूप होगा $-3x+x^{2}$ समान गुणांक वाले $0,-3,1$ इसके स्थिर, रैखिक और द्विघात पदों के लिए। क्योंकि ये मानचित्रण केवल समान संख्याओं की पुनर्व्याख्या करते हैं, वे दो समूहों के तत्वों के बीच एक आक्षेप को परिभाषित करते हैं। और क्योंकि सकारात्मक परिमेय को गुणा करने का समूह संचालन अभाज्य संख्याओं के घातांक पर योगात्मक रूप से कार्य करता है, उसी तरह बहुपदों को योग ने का समूह संचालन बहुपद के गुणांक पर कार्य करता है, ये मानचित्र समूह संरचना को संरक्षित करते हैं; वे समरूपता हैं। एक विशेषण समरूपता को समरूपता कहा जाता है, और इसका अस्तित्व दर्शाता है कि इन दो समूहों में समान गुण हैं।

द्यपि किसी दिए गए आधार के संदर्भ में प्रत्येक समूह तत्व का प्रतिनिधित्व अद्वितीय है, एक मुक्त एबेलियन समूह में सामान्यतः एक से अधिक आधार होते हैं, और विभिन्न आधारों के परिणामस्वरूप इसके तत्वों के विभिन्न प्रतिनिधित्व होते हैं। उदाहरण के लिए, यदि कोई आधार के किसी तत्व को उसके प्रतिलोम से प्रतिस्थापित करता है, तो उसे दूसरा आधार प्राप्त होता है। अधिक विस्तृत उदाहरण के रूप में, द्वि-आयामी पूर्णांक लैटिस $\mathbb {Z} ^{2}$, पूर्णांक कार्तीय निर्देशांक वाले तल में बिंदुओं से मिलकर, आधारक के साथ सदिश योग के अनुसार एक मुक्त एबेलियन समूह बनाता है $\{(1,0),(0,1)\}$. इस आधार के लिए, तत्व $(4,3)$ लिखा जा सकता है $(4,3)=4\cdot (1,0)+3\cdot (0,1)$, जहां 'गुणा' परिभाषित किया गया है जिससे कि, उदाहरण के लिए,$\ 4\cdot (1,0):=(1,0)+(1,0)+(1,0)+(1,0)$. लिखने का कोई और विधि नहीं है $(4,3)$ उसी आधारक पर। चूँकि, एक अलग आधार के साथ जैसे $\{(1,0),(1,1)\}$, इसे इस रूप में लिखा जा सकता है $(4,3)=(1,0)+3\cdot (1,1)$. इस उदाहरण का सामान्यीकरण करते हुए, प्रत्येक जालक एक परिमित रूप से उत्पन्न मुक्त एबेलियन समूह बनाता है। $d$- आयामी पूर्णांक लैटिस $\mathbb {Z} ^{d}$ का एक प्राकृतिक आधार होता है जिसमें सकारात्मक पूर्णांक इकाई वैक्टर होते हैं, लेकिन इसके कई अन्य आधार भी होते हैं: यदि $M$ एक है $d\times d$ पूर्णांक मैट्रिक्स निर्धारक के साथ आकार $\pm 1$, तत्पश्चात की पंक्तियाँ $M$ एक आधारक बनाते हैं, और इसके विपरीत पूर्णांक लैटिस के प्रत्येक आधारक का यह रूप होता है। द्वि-आयामी स्थितियों पर अधिक जानकारी के लिए, अवधियों की मौलिक समरूप देखें।

निर्माण

प्रत्येक सेट एक मुक्त एबेलियन समूह का आधार हो सकता है, जो समूह समरूपता के लिए अद्वितीय है। किसी दिए गए आधार सेट के लिए मुक्त एबेलियन समूह को कई अलग-अलग लेकिन समतुल्य तरीकों से बनाया जा सकता है: पूर्णांकों की प्रतियों के प्रत्यक्ष योग के रूप में, पूर्णांक-मूल्यवान कार्यों के परिवार के रूप में, हस्ताक्षरित मल्टीसेट के रूप में, या समूह की प्रस्तुति द्वारा किया जाता है।

उत्पाद और योग

समूहों के प्रत्यक्ष उत्पाद में घटकवार योग के साथ उत्पाद में प्रत्येक समूह के एक तत्व के टुपल्स होते हैं। दोदो मुक्त एबेलियन समूहों का प्रत्यक्ष उत्पाद स्वयं मुक्त एबेलियन है, जिसका आधार दो समूहों के आधारों का असंयुक्त मिलन है। मुक्त एबेलियन समूहों की किसी भी परिमित संख्या का प्रत्यक्ष उत्पाद मुक्त एबेलियन है। उदाहरण के लिए, $d$आयामी पूर्णांक नियम, के प्रत्यक्ष उत्पाद के लिए आइसोमोर्फिक है $d$ पूर्णांक समूह की प्रतियां $\mathbb {Z}$. तुच्छ समूह $\{0\}$ रिक्त सेट के आधार पर मुक्त एबेलियन भी माना जाता है। इसकी व्याख्या एक रिक्त उत्पाद उत्पाद के रूप में की जा सकती है, की शून्य प्रतियों का प्रत्यक्ष उत्पाद का $\mathbb {Z}$.

मुक्त एबेलियन समूहों के अनंत अनंत परिवारों के लिए, प्रत्यक्ष उत्पाद आवश्यक रूप से मुक्त एबेलियन नहीं है। उदाहरण के लिए बेयर-स्पीकर समूह $\mathbb {Z} ^{\mathbb {N} }$, अनगिनत अनंत प्रतियों के प्रत्यक्ष उत्पाद के रूप में गठित एक असंख्य अनंत समूह का $\mathbb {Z}$, 1937 में रेनहोल्ड बेयर द्वारा मुक्त एबेलियन नहीं होने के लिए दिखाया गया था चूँकि अर्नस्ट स्पेकर ने 1950 में साबित किया कि इसके सभी गणनीय उपसमूह मुक्त एबेलियन हैं। इसके अतिरिक्त, समूहों के एक अनंत परिवार से एक मुक्त एबेलियन समूह प्राप्त करने के लिए, प्रत्यक्ष उत्पाद अतिरिक्त प्रत्यक्ष योग का उपयोग किया जाना चाहिए। प्रत्यक्ष योग और प्रत्यक्ष उत्पाद समान होते हैं जब वे बहुत से समूहों पर लागू होते हैं, लेकिन समूहों के अनंत परिवारों पर भिन्न होते हैं। सीधे योग में, तत्व फिर से प्रत्येक समूह के तत्वों के गुच्छे होते हैं, लेकिन इस प्रतिबंध के साथ कि इनमें से बहुत से तत्व उनके समूह के लिए पहचान हैं। अपरिमित रूप से कई से कई मुक्त एबेलियन समूहों का प्रत्यक्ष योग मुक्त एबेलियन रहता है। इसका एक आधार है जिसमें टुपल्स होते हैं जिसमें एक तत्व को छोड़कर सभी तत्व पहचान होते हैं, इसके समूह के आधार के शेष तत्व भाग के साथ।

प्रत्येक मुक्त एबेलियन समूह को प्रतियों के प्रत्यक्ष योग के रूप में वर्णित किया जा सकता है का $\mathbb {Z}$, इसके आधारक के प्रत्येक सदस्य के लिए एक प्रति के साथ। $B$ के फ्री एबेलियन समूह का आधारक बनने के लिए यह निर्माण किसी भी सेट की अनुमति देता है।

पूर्णांक कार्य और औपचारिक योग

एक सेट दिया $B$, कोई एक समूह को परिभाषित कर सकता है $\mathbb {Z} ^{(B)}$ जिसके तत्व फलन हैं $B$ पूर्णांकों के लिए, जहां सुपरस्क्रिप्ट में कोष्ठक इंगित करता है कि केवल बहुत से गैर-शून्य मानों वाले फलन सम्मलित होते हैं।

यदि $f(x)$ और $g(x)$ दो ऐसे कार्य हैं, फिर $f+g$ वह फलन है जिसके मान मानों के योग होते हैं $f$ और $g$: वह है, $(f+g)(x)=f(x)+g(x)$. यह बिंदुवार योग परिचालन देता है $\mathbb {Z} ^{(B)}$ एबेलियन समूह की संरचना करता है।

प्रत्येक तत्व $x$ दिए गए सेट से $B$ एक सदस्य के अनुरूप है of $\mathbb {Z} ^{(B)}$,फलन $e_{x}$ जिसके लिए $e_{x}(x)=1$ और जिसके लिए $e_{x}(y)=0$ के लिए all $y\neq x$.

प्रत्येक फलन $f$ में $\mathbb {Z} ^{(B)}$ विशिष्ट रूप से आधारक तत्त्व की सीमित संख्या का एक रैखिक संयोजन है:

$$f=\sum _{\{x\mid f(x)\neq 0\}}f(x)e_{x}.$$

इस प्रकार, ये तत्व $e_{x}$ के लिए एक आधार बनाते हैं $\mathbb {Z} ^{(B)}$,और $\mathbb {Z} ^{(B)}$एक मुक्त एबेलियन समूह है। इस प्रकार प्रत्येक सेट $B$ को एक मुक्त एबेलियन समूह के आधार में बनाया जा सकता है। के तत्व $\mathbb {Z} ^{(B)}$ को औपचारिक राशियों के रूप में भी लिखा जा सकता है, व्यंजक परिमित रूप से कई पदों के योग के रूप में, जहां प्रत्येक शब्द को एक अलग के साथ एक गैर-पूर्णांक पूर्णांक के उत्पाद के रूप में लिखा जाता है का $B$. इन अभिव्यक्तियों को समतुल्य माना जाता है जब उनके पास समान शब्द होते हैं, शर्तों के क्रम की परवाह किए बिना, और उन्हें शर्तों के संघ बनाकर जोड़ा जा सकता है, पूर्णांक गुणांक को समान आधार तत्व के साथ शब्दों को जोड़ने के लिए, और शर्तों को हटाकर जिसके लिए यह संयोजन एक शून्य गुणांक उत्पन्न करता है। उनकी व्याख्या बहुत से तत्वों के हस्ताक्षरित मल्टीसेट के रूप में भी की जा सकती है का $B$.

प्रस्तुति

एक समूह की एक प्रस्तुति तत्वों का एक समूह है जो समूह उत्पन्न करती है (जिसका अर्थ है कि सभी समूह तत्वों को बहुत से जनरेटर के उत्पादों के रूप में व्यक्त किया जा सकता है) साथ में "रिलेटर", जनरेटर के उत्पाद जो पहचान तत्व देते हैं। इस तरह से परिभाषित एक समूह के तत्व जनरेटर और उनके व्युत्क्रमों के अनुक्रमों के समतुल्य वर्ग हैं, एक समानता संबंध के तहत जो किसी भी रिलेटर या जनरेटर-उलटा जोड़ी को एक सन्निहित परिणाम के रूप में सम्मिलित करने या निकालने की अनुमति देता है। आधार के साथ मुक्त एबेलियन समूह $B$ में एक प्रस्तुति है जिसमें जेनरेटर तत्व हैं $B$, और और संबंधक तत्वों के योग कम्यूटेटर का $B$. यहाँ, दो तत्वों का दिक्परिवर्तक $x$ और $y$ उत्पाद है $x^{-1}y^{-1}xy$; इस उत्पाद को पहचान कारणों पर सेट करना $xy$ से बराबर $yx$, जिससे की $x$ और $y$ । अधिक सामान्यतः, यदि जनरेटर के सभी जोड़े चलते हैं, तो जनरेटर के उत्पादों के सभी जोड़े भी चलते हैं। इसलिए, इस प्रस्तुति द्वारा उत्पन्न समूह एबेलियन है, और प्रस्तुति के रिलेटर यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि यह एबेलियन है।

जब जनरेटर का सेट परिमित होता है, तो एक मुक्त एबेलियन समूह की प्रस्तुति भी परिमित होती है, क्योंकि प्रस्तुति में सम्मलित करने के लिए केवल बहुत से अलग-अलग कम्यूटेटर होते हैं। यह तथ्य, इस तथ्य के साथ कि एक मुक्त एबेलियन समूह का प्रत्येक उपसमूह मुक्त एबेलियन है (नीचे) का उपयोग यह दिखाने के लिए किया जा सकता है कि प्रत्येक सूक्ष्म रूप से उत्पन्न एबेलियन समूह को अंतिम रूप से प्रस्तुत किया गया है। यदि $G$ निश्चित रूप से एक सेट द्वारा उत्पन्न होता है सेट $B$, यह मुक्त एबेलियन समूह का भागफल है $B$ एक मुक्त एबेलियन उपसमूह द्वारा $G$. की प्रस्तुति के रिलेटर्स द्वारा उत्पन्न उपसमूह होता है। किन्तु चूँकि चूँकि यह उपसमूह स्वयं मुक्त एबेलियन है, यह भी सूक्ष्म रूप से उत्पन्न होता है, और इसका आधार ( कम्यूटेटर के साथ ऊपर $B$) एक प्रस्तुति के लिए रिलेटर्स का एक परिमित सेट बनाता है $G$.

एक मॉड्यूल के रूप में

पूर्णांकों पर मॉड्यूल वास्तविक संख्याओं या परिमेय संख्याओं पर वेक्टर रिक्त स्थान के समान परिभाषित होते हैं: वे तत्वों की प्रणालियों से युक्त होते हैं जिन्हें एक दूसरे से जोड़ा जा सकता है, पूर्णांकों द्वारा स्केलर गुणन के लिए एक ऑपरेशन के साथ जो इस अतिरिक्त ऑपरेशन के साथ संगत है। प्रत्येक एबेलियन समूह को पूर्णांकों पर एक मॉड्यूल के रूप में माना जा सकता है, जिसमें स्केलर गुणन ऑपरेशन निम्नानुसार परिभाषित किया गया है:

$0\,x=0$
$1\,x=x$
$n\,x=x+(n-1)\,x,\quad$	if $n>1$
$n\,x=-((-n)\,x),$	if $n<0$

चूँकि, वेक्टर रिक्त स्थान के विपरीत, सभी एबेलियन समूहों का आधारक नहीं होता है, इसलिए जो ऐसा करते हैं उनके लिए विशेष नाम मुक्त होता है। एक मुफ्त मॉड्यूल एक मॉड्यूल है जिसे इसके आधारक रिंग (गणित) पर प्रत्यक्ष योग के रूप में दर्शाया जा सकता है, इसलिए फ्री एबेलियन समूह और मुफ्त $\mathbb {Z}$- मॉड्यूल समतुल्य अवधारणाएं हैं: प्रत्येक फ्री एबेलियन समूह (ऊपर गुणन संक्रिया के साथ) एक मुक्त है $\mathbb {Z}$-मापांक और प्रत्येक मुक्त $\mathbb {Z}$- मापांक इस तरह एक फ्री एबेलियन समूह से आता है। साथ ही प्रत्यक्ष योग, फ्री एबेलियन समूहों को संयोजित करने का एक और विधि मॉड्यूल के टेंसर उत्पाद का उपयोग करना है $\mathbb {Z}$- मॉड्यूल। दो फ्री एबेलियन समूहों का टेंसर उत्पाद सदैव मुक्त एबेलियन होता है, जिसका आधारक उत्पाद में दो समूहों के आधारकों का कार्टेशियन उत्पाद होता है।

फ्री एबेलियन समूहों के कई महत्वपूर्ण गुणों को एक प्रमुख आदर्श डोमेन पर मुफ्त मॉड्यूल के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, प्रमुख आदर्श डोमेन पर मुफ्त मॉड्यूल के उपमापांक मुफ्त हैं, एक तथ्य यह है कि डिंबौषक (2002) राइट्स इन मॉड्यूलों के लिए होमोलॉजी (गणित) मशीनरी के स्वचालित सामान्यीकरण की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, प्रमेय है कि प्रत्येक प्रक्षेपी मॉड्यूल $\mathbb {Z}$- मापांक मुक्त है उसी तरह सामान्यीकरण करता है।

गुण

सार्वभौमिक संपत्ति

एक फ्री एबेलियन समूह $F$ आधारक के साथ $B$ निम्नलिखित सार्वभौमिक संपत्ति है: प्रत्येक कार्य के लिए $f$ से $B$ एक एबेलियन समूह के लिए $A$, वहाँ से एक अद्वितीय समूह समरूपता उपस्थित है $F$ को $A$ जो फैलता है $f$. यहां, एक समूह होमोमोर्फिज्म एक समूह से दूसरे समूह में मैपिंग है जो समूह उत्पाद कानून के अनुरूप है: मैपिंग से पहले या बाद में एक उत्पाद का प्रदर्शन एक ही परिणाम उत्पन्न करता है। सार्वभौमिक गुणों की एक सामान्य संपत्ति से, यह दर्शाता है कि आधारक का एबेलियन समूह $B$ एक समरूपता तक अद्वितीय है। इसलिए, सार्वभौमिक संपत्ति का उपयोग आधारक के फ्री एबेलियन समूह की परिभाषा के रूप में किया जा सकता है $B$. इस संपत्ति द्वारा परिभाषित समूह की विशिष्टता से पता चलता है कि अन्य सभी परिभाषाएँ समकक्ष हैं।

यह इस सार्वभौमिक संपत्ति के कारण है कि फ्री एबेलियन समूहों को मुक्त कहा जाता है: वे एबेलियन समूहों की श्रेणी में मुक्त वस्तुएं हैं, श्रेणी (गणित) जिसमें एबेलियन समूह अपनी वस्तुओं के रूप में और होमोमोर्फिज्म इसके तीर के रूप में हैं। एक आधारक से इसके फ्री एबेलियन समूह का नक्शा एक ऑपरेटर है, श्रेणियों का एक संरचना-संरक्षण मानचित्रण, सेट से एबेलियन समूहों तक, और एबेलियन समूहों से सेट तक भुलक्कड़ फ़ैक्टर के लिए सहायक फ़ंक्टर है। चूँकि, एक फ्री एबेलियन समूह दो स्थितियों को छोड़कर एक स्वतंत्र समूह नहीं है: एक फ्री एबेलियन समूह जिसका रिक्त आधारक है (रैंक शून्य, तुच्छ समूह दे रहा है) या आधारक में सिर्फ एक तत्व है (रैंक एक, अनंत चक्रीय समूह दे रहा है) ). अन्य एबेलियन समूह मुक्त समूह नहीं हैं क्योंकि मुक्त समूहों में हैं $ab$ से भिन्न होना चाहिए $ba$ यदि $a$ और $b$ आधारक के विभिन्न तत्व हैं, जबकि फ्री एबेलियन समूहों में तत्वों के सभी युग्मों के लिए दो उत्पाद समान होने चाहिए। समूहों की सामान्य श्रेणी में, यह मांग करने के लिए एक अतिरिक्त बाधा है $ab=ba$, जबकि एबेलियन समूहों की श्रेणी में यह एक आवश्यक गुण है।

रैंक

एक ही फ्री एबेलियन समूह के प्रत्येक दो आधारकों में समान कार्डिनैलिटी होती है, इसलिए एक आधारक की कार्डिनैलिटी समूह के एक अपरिवर्तनीय (गणित) का निर्माण करती है जिसे इसकी रैंक के रूप में जाना जाता है। दो फ्री एबेलियन समूह आइसोमोर्फिक हैं यदि और केवल यदि उनके पास समान रैंक है। एक फ्री एबेलियन समूह परिमित रूप से उत्पन्न मॉड्यूल है यदि और केवल यदि इसकी रैंक एक परिमित संख्या है $n$, जिस स्थिति में समूह आइसोमॉर्फिक है $\mathbb {Z} ^{n}$.

रैंक की इस धारणा को सामान्यीकृत किया जा सकता है, फ्री एबेलियन समूहों से एबेलियन समूहों तक, जो आवश्यक रूप से मुक्त नहीं हैं। एक एबेलियन समूह का पद $G$ एक मुक्त एबेलियन उपसमूह के रैंक के रूप में परिभाषित किया गया है $F$ का $G$ जिसके लिए भागफल समूह $G/F$ एक आघूर्ण बल समूह है। समतुल्य रूप से, यह अधिकतम तत्व उपसमुच्चय की प्रमुखता है $G$ जो एक मुक्त उपसमूह उत्पन्न करता है। रैंक एक समूह अपरिवर्तनीय है: यह उपसमूह की विकल्पों पर निर्भर नहीं करता है।

उपसमूह

एक फ्री एबेलियन समूह का प्रत्येक उपसमूह अपने आप में एक फ्री एबेलियन समूह है। रिचर्ड डेडेकिंड का यह परिणाम अनुरूप नीलसन-श्रेयर प्रमेय का अग्रदूत था कि एक मुक्त समूह का प्रत्येक उपसमूह स्वतंत्र है, और इस तथ्य का एक सामान्यीकरण है कि चक्रीय समूहों के उपसमूह। सबूत को विकल्पों के स्वीकृत की जरूरत है। सर्ज लैंग के बीजगणित में ज़ोर्न की लेम्मा (विकल्पों के स्वीकृत के कई समकक्ष मान्यताओं में से एक) का उपयोग करने वाला प्रमाण पाया जा सकता है। सोलोमन लेफशेट्ज़ और इरविंग कपलान्स्की का तर्क है कि ज़ोर्न के लेम्मा के स्थान पर सुव्यवस्थित सिद्धांत का उपयोग करने से अधिक सहज प्रमाण प्राप्त होता है।

सूक्ष्म रूप से उत्पन्न फ्री एबेलियन समूहों के स्थितियों में, प्रमाण आसान है, विकल्पों के स्वीकृत की आवश्यकता नहीं है, और अधिक त्रुटिहीन परिणाम की ओर ले जाता है। यदि $G$ एक अंतिम रूप से उत्पन्न फ्री एबेलियन समूह का एक उपसमूह है $F$, तब $G$ मुक्त है और एक आधारक उपस्थित है $(e_{1},\ldots ,e_{n})$ का $F$ और सकारात्मक पूर्णांक $d_{1}|d_{2}|\ldots |d_{k}$ (अर्थात् प्रत्येक एक दूसरे को विभाजित करता है) ऐसा कि $(d_{1}e_{1},\ldots ,d_{k}e_{k})$ का एक आधारक है $G.$ इसके अतिरिक्त, क्रम $d_{1},d_{2},\ldots ,d_{k}$ पर ही निर्भर करता है $F$ और $G$ और आधारक पर नहीं। प्रमेय के अस्तित्व भाग का एक रचनात्मक प्रमाण किसी भी एल्गोरिथम द्वारा प्रदान किया जाता है जो पूर्णांकों के मैट्रिक्स के स्मिथ सामान्य रूप की गणना करता है। विशिष्टता इस तथ्य से अनुसरण करती है कि, किसी के लिए भी $r\leq k$, रैंक के (रैखिक बीजगणित) का सबसे बड़ा सामान्य विभाजक $r$ स्मिथ सामान्य फॉर्म गणना के समय मैट्रिक्स का नहीं बदला गया है और यह उत्पाद है $d_{1}\cdots d_{r}$ गणना के अंत में।

आघूर्ण बल और विभाज्यता

सभी मुक्त एबेलियन समूह आघूर्ण बल द्वारा मुक्त होते हैं, जिसका अर्थ है कि कोई गैर-पहचान समूह तत्व नहीं है $x$ और अशून्य पूर्णांक $n$ ऐसा है कि $nx=0$. इसके विपरीत, सभी परिमित रूप से उत्पन्न आघूर्ण बल-मुक्त एबेलियन समूह मुक्त एबेलियन होते हैं।

परिमेय संख्याओं का योज्य समूह $\mathbb {Q}$ एक आघूर्ण बल-मुक्त (किन्तु सूक्ष्म रूप से उत्पन्न नहीं) एबेलियन समूह का एक उदाहरण प्रदान करता है, जो मुक्त एबेलियन नहीं है। एक कारण है $\mathbb {Q}$ मुक्त नहीं है, एबेलियन यह है कि यह विभाज्य समूह है, जिसका अर्थ है, कि प्रत्येक तत्व के लिए $x\in \mathbb {Q}$ और प्रत्येक अशून्य पूर्णांक $n$, अभिव्यक्त किया जा सकता है $x$ एक अदिश गुणक के रूप में $ny$ दूसरे तत्व का$y=x/n$. इसके विपरीत, गैर-तुच्छ फ्री एबेलियन समूह कभी भी विभाज्य नहीं होते हैं, क्योंकि एक फ्री एबेलियन समूह में आधारकतत्त्व को अन्य तत्वों के गुणकों के रूप में व्यक्त नहीं किया जा सकता है।

समरूपता

किसी भी समूह की समरूपता को समूह ऑटोमोर्फिज्म के रूप में वर्णित किया जा सकता है, समूह से स्वयं के लिए उलटा कार्य होमोमोर्फिज्म। गैर-अबेलियन समूहों में इन्हें आगे आंतरिक ऑटोमोर्फिज्म और बाहरी ऑटोमोर्फिज्म ऑटोमोर्फिज्म में विभाजित किया जाता है, किन्तु एबेलियन समूहों में सभी गैर-पहचान वाले ऑटोमोर्फिज्म बाहरी होते हैं। वे फलन रचना के संचालन के अनुसार दिए गए समूह के एक अन्य समूह, ऑटोमोर्फिज्म समूह का निर्माण करते हैं। परिमित रैंक के एक फ्री एबेलियन समूह का ऑटोमोर्फिज़्म समूह $n$ सामान्य रैखिक समूह है $\operatorname {GL} (n,\mathbb {Z} )$, जिसे निश्चित रूप से वर्णित किया जा सकता है (मुक्त ऑटोमोर्फिज्म समूह के एक विशिष्ट आधारक के लिए) के सेट के रूप में $n\times n$ मैट्रिक्स गुणन के संचालन के अनुसार व्युत्क्रमणीय पूर्णांक मैट्रिक्स। फ्री एबेलियन समूह पर समरूपता के रूप में उनकी समूह क्रिया $\mathbb {Z} ^{n}$ सिर्फ मैट्रिक्स-वेक्टर गुणन है।

दो अनंत-रैंक फ्री एबेलियन समूहों के ऑटोमोर्फिज़्म समूहों में एक ही प्रथम-क्रम सिद्धांत है | प्रथम-क्रम सिद्धांत एक-दूसरे के समान हैं, यदि और केवल यदि उनके रैंक दूसरे-क्रम तर्क के दृष्टिकोण से समतुल्य कार्डिनल संख्या हैं। यह परिणाम फ्री एबेलियन समूहों के इन्वोल्यूशन (गणित) की संरचना पर निर्भर करता है, ऑटोमोर्फिज्म जो स्वयं के व्युत्क्रम हैं। एक नि: शुल्क एबेलियन समूह के लिए एक आधारक दिया गया है, कोई भी ऐसे अंतर्विरोधों को पा सकता है जो आधारकतत्त्व के असंबद्ध योग े के किसी भी सेट को एक-दूसरे से योग ते हैं, या जो आधारकतत्त्व के किसी भी चुने हुए सबसेट को नकारते हैं, अन्य आधारकतत्त्व को छोड़ देते हैं। इसके विपरीत, एक फ्री एबेलियन समूह के प्रत्येक समावेशन के लिए, समूह का एक आधारक मिल सकता है जिसके लिए सभी आधारकतत्त्व को योग े में बदल दिया जाता है, अस्वीकार कर दिया जाता है, या सम्मलित होने से अपरिवर्तित छोड़ दिया जाता है।

अन्य समूहों से संबंध

यदि एक फ्री एबेलियन समूह दो समूहों का भागफल है $A/B$, तब $A$ प्रत्यक्ष योग है $B\oplus A/B$. एक मनमाना एबेलियन समूह दिया गया $A$, वहाँ सदैव एक फ्री एबेलियन समूह उपस्थित होता है $F$ और एक विशेषण समूह समरूपता से $F$ को $A$. किसी दिए गए समूह पर अनुमान लगाने का एक विधि $A$ जाने देना है $F=\mathbb {Z} ^{(A)}$ फ्री एबेलियन समूह बनें $A$, औपचारिक रकम के रूप में प्रतिनिधित्व किया। तब एक अनुमान को परिभाषित किया जा सकता है, में औपचारिक योगों की मैपिंग करके $F$ के सदस्यों की इसी राशि के लिए $A$. यही है, प्रक्षेपण मानचित्र

$$\sum _{\{x\mid a_{x}\neq 0\}}a_{x}e_{x}\mapsto \sum _{\{x\mid a_{x}\neq 0\}}a_{x}x,$$

कहाँ $a_{x}$ आधारक तत्व का पूर्णांक गुणांक है $e_{x}$ दी गई औपचारिक राशि में,

पहली राशि में है $F$, और दूसरा योग अंदर है $A$. यह आक्षेप अद्वितीय समूह समरूपता है जो कार्य का विस्तार करता है $e_{x}\mapsto x$, और इसलिए इसके निर्माण को सार्वभौमिक संपत्ति के उदाहरण के रूप में देखा जा सकता है।

कब $F$ और $A$ ऊपर के रूप में हैं, कर्नेल (बीजगणित) $G$ से अनुमान $F$ को $A$ मुक्त आबेली भी है, क्योंकि यह एक उपसमूह है $F$ (पहचान के लिए मैप किए गए तत्वों का उपसमूह)।

इसलिए, ये समूह एक संक्षिप्त त्रुटिहीन अनुक्रम बनाते हैं

$$0\to G\to F\to A\to 0$$

जिसमें $F$ और $G$ मुक्त एबेलियन और दोनों हैं $A$ कारक समूह के लिए आइसोमोर्फिक है $F/G$. यह का एक मुक्त संकल्प है $A$. इसके अतिरिक्त, विकल्पों के स्वीकृत मानते हुए, फ्री एबेलियन समूह एबेलियन समूहों की श्रेणी में त्रुटिहीन रूप से प्रक्षेपी मॉड्यूल हैं।

अनुप्रयोग

बीजगणितीय टोपोलॉजी

Main article: श्रृंखला (बीजगणितीय टोपोलॉजी)

बीजगणितीय टोपोलॉजी में, का एक औपचारिक योग $k$- डायमेंशनल संकेतन को $k$- श्रृंखला कहा जाता है I और मुक्त एबेलियन समूह का संग्रह है, और फ्री एबेलियन समूह का संग्रह है इसके आधार के रूप में के-सरलीकरण को एक श्रृंखला समूह कहा जाता है। उदाहरण के लिए, सरलता को सामान्यतः कुछ टोपोलॉजिकल स्पेस से लिया जाता है, $k$ सरलताएक साधारण परिसर में, या एकवचन का सेट $k$ कई गुना में सरलता होती है। कोई $k$-डायमेंशनल सिम्प्लेक्स की एक सीमा होती है जिसे औपचारिक योग के रूप में दर्शाया जा सकता $(k-1)$-आयामी सरलताएं, और मुक्त एबेलियन समूहों की सार्वभौमिक संपत्ति इस सीमा संचालक को एक समूह समरूपता से विस्तारित करने की अनुमति देती है $k$- श्रृंखला में $(k-1)$- श्रृंखला। इस तरह सीमा संचालकों द्वारा जुड़े श्रृंखला समूहों की प्रणाली एक श्रृंखला परिसर बनाती है, और श्रृंखला परिसरों का अध्ययन होमोलॉजी सिद्धांत का आधार बनता है।

बीजगणितीय ज्यामिति और जटिल विश्लेषण

Main article: भाजक (बीजीय ज्यामिति)

तर्कसंगत कार्य $z^{4}/(z^{4}-1)$ 0 पर क्रम चार का एक शून्य है (साजिश के केंद्र में काला बिंदु), और चार सम्मिश्र संख्याओं पर Zeros_and_poles#Definitions $\pm 1$ और $\pm i$ (चार पंखुड़ियों के सिरों पर सफेद बिंदु)। इसे भाजक द्वारा (एक अदिश तक) दर्शाया जा सकता है $4e_{0}-e_{1}-e_{-1}-e_{i}-e_{-i}$ कहाँ $e_{z}$ एक जटिल संख्या के लिए आधारक तत्व है $z$ सम्मिश्र संख्याओं पर फ्री एबेलियन समूह में।

सम्मिश्र संख्याओं पर प्रत्येक परिमेय फलन सम्मिश्र संख्याओं के हस्ताक्षरित बहुसमूह से संबद्ध किया जा सकता है$c_{i}$, फलन के शून्य और ध्रुव (बिंदु जहां इसका मान शून्य या अनंत है)। बहुलता इस बहुपदीय में एक बिंदु का $m_{i}$ फलन के शून्य रूप में इसका क्रम है, या ध्रुव के रूप में इसके आदेश की अस्वीकृति है।

तब फलन को इस डेटा से स्केलर कारक तक पुनर्प्राप्त किया जा सकता है, जैसे

$$f(q)=\prod (q-c_{i})^{m_{i}}.$$

यदि इन बहुपदीय को जटिल संख्याओं पर मुफ्त एबेलियन समूह के सदस्यों के रूप में व्याख्या किया जाता है,तो दो तर्कसंगत कार्यों का उत्पाद या भागफल दो समूह सदस्यों के योग या अंतर से मेल खाता है। इस प्रकार, तर्कसंगत कार्यों के गुणक समूह को जटिल संख्याओं के गुणक समूह (प्रत्येक फलन के लिए संबद्ध स्केलर कारक) और जटिल संख्याओं पर मुक्त एबेलियन समूह में सम्मलित किया जा सकता है। परिमेय फलन जिनका अनंत पर एक शून्येतर सीमित मान होता है (रीमैन क्षेत्र पर मेरोमॉर्फिक फलन) इस समूह का एक उपसमूह बनाते हैं जिसमें बहुगुणों का योग शून्य होता है।

बीजगणितीय ज्यामिति में, भाजक की धारणा के लिए इस निर्माण को सामान्यीकृत किया गया है। विभाजकों की अलग-अलग परिभाषाएँ हैं, किन्तु सामान्यतः वे कोडिमेंशन का एक सार बनाते हैं - बीजगणितीय किस्म की उप-विविधता, बहुपद समीकरणों की एक प्रणाली के समाधान बिंदुओं का समूह होता है। ऐसे स्थितियों में जहां समीकरणों की प्रणाली में स्वतंत्रता की एक डिग्री होती है (इसके समाधान बीजगणितीय वक्र या रीमैन सतह बनाते हैं), इसमें उप-किस्म में कोडिमेंशन होता है जब इसमें पृथक बिंदु होते हैं, और इस स्थितियों में एक विभाजक फिर से बिंदुओं का हस्ताक्षरित बहुपदीय होता है। एक कॉम्पैक्ट रीमैन सतह पर मेरोमोर्फिक कार्यों में सूक्ष्म रूप से कई शून्य और ध्रुव होते हैं, और उनके विभाजक समूह तत्वों के जोड़ या घटाव के अनुरूप कार्यों के गुणन या विभाजन के साथ सतह के बिंदुओं पर एक मुक्त एबेलियन समूह का एक उपसमूह बनाते हैं। एक विभाजक होने के लिए, मुक्त एबेलियन समूह के एक तत्व में गुणन का योग शून्य होना चाहिए, और सतह के आधार पर कुछ अतिरिक्त बाधाओं को पूरा करते हैं।

समूह के वलय

अभिन्न समूह का वलय $\mathbb {Z} [G]$, किसी भी समूह के लिए $G$, एक वलय है जिसका योगात्मक समूह मुफ्त एबेलियन समूह है $G$. जब $G$ परिमित समूह और एबेलियन, इकाइयों का गुणक समूह होते है,तो $\mathbb {Z} [G]$ में एक परिमित समूह और एक परिमित रूप से उत्पन्न मुक्त एबेलियन समूह के प्रत्यक्ष उत्पाद की संरचना होती है।