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意思-【抽象代数】23. 半单代数的定义与基本性质

作者:句子 来源:句子 日期:2023/8/19 20:14:05 人气:5 加入收藏 标签:代数 所以 理想 证明

半单性是重要的代数性质。例如我们所熟悉的,半单矩阵就是可对角化的矩阵,半单线性变换就算最小多项式的根互不相同的线性变换,线性代数中所学过的Jordan-Chevalley分解也称为半单-幂零分解,即把线性变换分解为半单的部分和幂零的部分。单模又称不可约模,半单模又称完全可约模。研究半单模,实际上就是研究这个完全可约模的所有不可约子模的结构。对于半单代数的研究,也可以归结为关于单代数的研究。与前文类似,不加说明时, 模指的是左 模。从本篇开始,域用 或 表示。 模指的是代数上的模,其中 是有限维 代数(或 代数)。单模如果非零 模 的子模只有 和 本身,则称为单模(simple module)或不可约模(irreducible module)。

单模又称为不可约模,它无法写成两个非零子模的直和。同理,一个只有平凡子模的非零 模也称为单模。单模有简单的性质:命题:如果 是单模,则对于任一非零元素 都有 。

证明很容易,设 ,则 是 的子模(为什么?),而 是单模。如果 ,则有 ,这与 非零矛盾,因此 ,从而 。

事实上,根据环的理想的极大性和Zorn引理,可以在任一环上构造单模。命题:任一环 上存在单模。

证明:对于所有不含单位元的左理想中,存在一个极大左理想,不妨设为 ,则 就是单模。否则 就有一个真子模同构于 ,其中 也是真左理想,但这与 的极大性矛盾。Schur引理(1)设 模 都是单模, 是非零的模同态,则 是模同构。从而 是除环。(2)设 是有限维 代数, 是代数闭域, 是不可约 模,则 。即对于任一 ,存在某个 使得 。

证明:(1)由于 是单模 的非零子模,所以 ; 而 是单模 的真子模,所以 ,从而是模同构;(2) 是线性变换,设其某个特征值为 ;设非零元 有 ,则 ,且 ,从而 。

Schur引理表明,单模上的模同态都是模同构, 是除环, 是可除代数。而模自同态实际上就可以看作一个标量乘法 。

另外,容易证明单模都是循环模。命题:非零 模 是单模,当且仅当 是由它的任一非零元生成的循环模。

接下来主要考虑代数上的模即 模。由于 也是环,所以也具有一切环上的模所具有的性质。

单模称为不可约模,而半单模称为所谓的完全可约模,是因为半单模能完全分解为一些单模的和。半单模设 是 模,如果 是不可约子模的直和,称 是半单模(semisimple module)或完全可约模(

如果知道了一个完全可约模的所有不可约子模的结构,实际上也就知道了整个半单模的结构。半单模的等价条件设 是 模,下述命题等价:(1) 是半单模(semisimple module);(2) 是它的单子模的和;(3) 是它的单子模的直和;(4) 非零,且 的每个子模 在 中都有直和补,即存在 的子模 使得 ;(5) 非零,且 的每个不可约子模 在 中都有直和补,即存在 的子模 使得 。

可以证明,半单模的子模和商模都是半单模。在文章https://zhuanlan.zhihu.

中,作者给出了更多的半单模的等价定义。证明都比较容易,注意到由于是单子模,所以和与直和是等价的。因为两个不同的单子模的交集只能是 。这里以(2)到(4)的证明为例:

设 ,其中 都是单子模;设 是 的子模,因为 是 -线性空间,而 是有限维的,因此存在使得 成立的极大子模 。接下来只要证明 即可:利用反证法,假设 ,由于其不可约性有 ,从而 ,这与 的极大性矛盾。所以 ;又因为交集为空,所以是直和。齐次分支设 是半单 模, 是单的 模,记 为 中所有同构于 的子模的和,称为 的 齐次分支或齐次分支或齐次分量(Homogeneous

因为半单模可以完全分解为单模的和,所以半单模的齐次分支就决定了它的结构。定理设 ,其中 都是单 模, 是有限指标集, 是任意的单 模,则有:(1) 是 的 子模;(2) ,其中 ;

证明:(1)的意思是,对于任一 ,都有 ,容易证明。(2)不是显然的,因为 的定义中包含了所有同构于 的子模,所以只有 。但另一方面,因为 的上述直和分解下,任一 可以唯一表示为 ,其中 ,定义如下的射影映射 ,它是 模同态。设 是子模而且 (注意 未必在 中),如果 ,因为 是单模,所以 ,从而 。又因为 ,从而 。

先给出单代数与半单代数的定义。单代数设 是 代数,如果 的理想只有零理想和 本身,称 为单代数(simple algebra)。

半单代数可以定义为半单代数设 是 代数,如果 的幂零理想只有零理想,称 为半单代数(semisimple algebra)。

该定义在下一篇中介绍,幂零理想指的是存在自然数 使得 的理想。也可以把半单代数定义为事实设 是 代数,如果任一 模都是半单模,称 为半单代数。

但其实只需要半单代数的定义设 是 代数,如果左正则模 是半单模,称 为半单代数。

左正则模就是把 左作用在 上的模。从该定义出发,可以证明定理设 是半单代数,则任一 模都是半单模。

证明;设 , 取遍 的极小左理想。设 是 模, 是非零元,则 ,根据Schur引理,要么 ,要么 是单模,则 是单模的和,从而是半单模。引理设 是 代数,则每个单 模同构于 的一个商模;如果 是半单代数,则单 模同构于 的一个子模。

证明过程略,引理的含义已经很清楚了。我们希望研究的是给定一个代数 ,所有的单 模是什么样子的。不妨设 是所有单 模同构类的代表系,即这里面的每个模互不同构,而且任一个单 模都同构于其中的一个模。上一节中我们知道,如果 是半单 模,则有 。同样地,如果 是半单代数,所以 是半单模,从而 。

下面是Wedderburn给出的一个定理:定理设 是半单的 代数, 是单 模, 是所有单 模同构类的代表系,则(1)任一 ,如果 与 不同构,则 零化 。(2) 是 的极小非零理想,也是单代数。(3) 是有限集合, 是有限个单代数 的和。

证明:(1)为简便起见,设 是正则模。对于 中的任一元素 , 是同态,则 ,从而 是 的理想。对于两个不同的齐次分支,显然 。又因为都是理想,所以 。根据上述引理,单 模都同构于 的一个子模,所以存在子模 使得 且 ,所以 也零化 和 。

(2)不妨设 更小的 的理想,因为 中存在同构于 的单模 ,所以 ,则 ,从而 到 上的投影都是 ,但投影是单射,所以 。

(3)是因为 是有限维代数。

Wedderburn-Artin定理在代数上的表现刻画了半单代数的结构。Wedderburn-Artin定理如果 是有限维 代数,则下述条件等价:(1) 是半单代数;(2) 同构于单代数的直积;(3) 同构于可除 代数上全矩阵代数的直积,即存在可除 代数 和正整数 使得 。

关于定理的原始版本及其证明,放到后续内容中介绍。

后记:

后续几篇内容将陆续介绍Wedderburn-Artin定理,以及环的大根、小根、Artinian性、Noetherian性等内容。0003:24. Noetherian,Artinian与半单性

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