Pushout

Das Pushout (auch Kofaserprodukt, kokartesisches Quadrat, Fasersumme, amalgamierte Summe) i​st ein Begriff a​us dem mathematischen Teilgebiet d​er Kategorientheorie. Es handelt s​ich um d​ie zum Pullback d​uale Konstruktion.

Pushout von Moduln

Es seien ${\displaystyle \alpha _{1}:X\rightarrow X_{1}}$ und ${\displaystyle \alpha _{2}:X\rightarrow X_{2}}$ zwei Homomorphismen zwischen Moduln über einem Ring ${\displaystyle R}$. Setzt man ${\displaystyle Q:=\{(\alpha _{1}(x),\alpha _{2}(x)):\,x\in X\}\subset X_{1}\oplus X_{2}}$, so ist das Pushout von ${\displaystyle \alpha _{1}}$ und ${\displaystyle \alpha _{2}}$ definiert als

${\displaystyle P:=(X_{1}\oplus X_{2})/Q}$ mit den Homomorphismen

${\displaystyle \varphi _{1}:X_{1}\rightarrow P,\,\varphi _{1}(x_{1}):=(x_{1},0)+Q}$ und

${\displaystyle \varphi _{2}:X_{2}\rightarrow P,\,\varphi _{2}(x_{2}):=(0,-x_{2})+Q}$

Man kann zeigen, dass ${\displaystyle \varphi _{1}\circ \alpha _{1}=\varphi _{2}\circ \alpha _{2}}$ und dass ${\displaystyle P,\varphi _{1},\varphi _{2}}$ die folgende universelle Eigenschaft hat:

Ist ${\displaystyle Y}$ irgendein ${\displaystyle R}$-Modul mit Homomorphismen ${\displaystyle \psi _{1}:X_{1}\rightarrow Y}$ und ${\displaystyle \psi _{2}:X_{2}\rightarrow Y}$, so dass ${\displaystyle \psi _{1}\circ \alpha _{1}=\psi _{2}\circ \alpha _{2}}$, so gibt es genau einen Homomorphismus ${\displaystyle \rho :P\rightarrow Y}$ mit ${\displaystyle \psi _{1}=\rho \circ \varphi _{1}}$ und ${\displaystyle \psi _{2}=\rho \circ \varphi _{2}}$.[1]

Pushout in Kategorien

Durch obiges Beispiel motiviert, definiert m​an das Pushout i​n beliebigen Kategorien w​ie folgt.[2]

Es seien ${\displaystyle \alpha _{1}:X\rightarrow X_{1}}$ und ${\displaystyle \alpha _{2}:X\rightarrow X_{2}}$ zwei Morphismen einer Kategorie. Ein Paar ${\displaystyle (\varphi _{1},\varphi _{2})}$ von Morphismen ${\displaystyle \varphi _{i}:X_{i}\rightarrow P}$ dieser Kategorie heißt Pushout von ${\displaystyle (\alpha _{1},\alpha _{2})}$, falls gilt:

• ${\displaystyle \varphi _{1}\circ \alpha _{1}=\varphi _{2}\circ \alpha _{2}}$
• Ist ${\displaystyle (\psi _{1},\psi _{2})}$ ein Paar von Morphismen ${\displaystyle \psi _{i}:X_{i}\rightarrow Y}$ mit ${\displaystyle \psi _{1}\circ \alpha _{1}=\psi _{2}\circ \alpha _{2}}$, so gibt es genau einen Morphismus ${\displaystyle \rho :P\rightarrow Y}$ mit ${\displaystyle \psi _{1}=\rho \circ \varphi _{1}}$ und ${\displaystyle \psi _{2}=\rho \circ \varphi _{2}}$.

Manchmal nennt man nur das Objekt ${\displaystyle P}$ ein Pushout und meint damit, dass es Morphismen ${\displaystyle \varphi _{i}:X_{i}\rightarrow P}$ gibt, die obiger Definition genügen. Auch das Diagramm

${\displaystyle {\begin{array}{ccc}X&{\xrightarrow {\alpha _{1}}}&X_{1}\\\downarrow _{\alpha _{2}}&&\downarrow _{\varphi _{1}}\\X_{2}&{\xrightarrow {\varphi _{2}}}&P\end{array}}}$

wird bisweilen als Pushout bezeichnet. Es gibt die zum Pullback analoge Schreibweise ${\displaystyle P=X_{1}\sqcup _{X}X_{2}}$.

Beispiele

• Jedes Pullback in einer Kategorie ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ ist ein Pushout in der dualen Kategorie ${\displaystyle {\mathcal {K}}^{op}}$, denn offenbar ist das Pushout genau das zum Pullback duale Konzept.
• In einer abelschen Kategorie ist das Pushout zu

${\displaystyle {\begin{array}{ccc}X&{\xrightarrow {\alpha _{1}}}&X_{1}\\\downarrow _{0}&&\\0&&\end{array}}}$

gleich dem Kokern von ${\displaystyle \alpha _{1}}$.

• Ist mit obigen Bezeichnungen ${\displaystyle X}$ das Nullobjekt einer additiven Kategorie, so ist das Pushout gleich der direkten Summe ${\displaystyle X_{1}\oplus X_{2}}$.
• Das einleitende Beispiel zeigt, dass es in der Kategorie der ${\displaystyle R}$-Moduln stets Pushouts gibt.
• In der Kategorie der Gruppen existiert stets ein Pushout. Mit obigen Bezeichnungen ist dieses gleich dem freien Produkt ${\displaystyle X_{1}*X_{2}}$ modulo dem von ${\displaystyle \{\alpha _{1}(x)\alpha _{2}(x)^{-1}:\,x\in X\}}$ erzeugten Normalteiler ${\displaystyle N}$ mit den natürlichen Abbildungen ${\displaystyle \varphi _{i}:X_{i}\rightarrow X_{1}*X_{2}\rightarrow X_{1}*X_{2}/N}$[3] Diese Konstruktion tritt beim Satz von Seifert-van Kampen auf.
• In der Kategorie der kommutativen Ringe mit Einselement ist das Pushout mit obigen Bezeichnungen gleich dem Tensorprodukt ${\displaystyle X_{1}\otimes _{X}X_{2}}$ versehen mit der Eins ${\displaystyle 1\otimes 1}$ und der durch ${\displaystyle (a\otimes b)\cdot (c\otimes d):=(a\cdot c)\otimes (b\cdot d)}$ bestimmten Multiplikation.
• In der Kategorie der Mengen ist das Pushout ${\displaystyle (X_{1}\sqcup X_{2})/{\sim }}$, wobei ${\displaystyle \sim }$ die von ${\displaystyle \{(\alpha _{1}(x),\alpha _{2}(x)):x\in X\}}$ erzeugte Äquivalenzrelation auf der disjunkten Vereinigung ${\displaystyle X:=X_{1}\sqcup X_{2}}$ ist.
• Ähnlich lassen sich Pushouts von topologischen Räumen beschreiben. Diese spielen bei Verklebekonstruktionen eine Rolle.

Einzelnachweise

1. Louis D. Tarmin: Lineare Algebra, Moduln 2, Buch X Verlag (April 2008), ISBN 3-9346-7151-9, Satz 4.158.3
2. Peter Hilton: Lectures in Homological Algebra, American Mathematical Society (2005), ISBN 0-8218-3872-5, Definition 4.1
3. Joseph J. Rotman: An Introduction to the Theory of Groups. Springer, Graduate Texts in Mathematics, 1995, ISBN 0-3879-4285-8, Theorem 11.58