2. 理想与同态

李代数的理想 (Ideal)

理想的定义

说起理想,容易想起环上的理想概念:

R 为环, IR,若

  1. I 对加法封闭;‘
  2. 对任意 aI,rR ,都有 arI
    则称 I 是环 R 的一个理想,记作 IR

对于李代数,也可以定义类似的理想概念。

定义:李代数的理想 (Ideal)

L 为一李代数,称其一子空间 IL理想 (Ideal),若对任意 xL,yI,有 [x,y]I。同样记作 IL

注意该李括号条件(称为吸收性)保证理想对李括号封闭;由于理想是一个子空间,因此理想是一个李子代数.此外,若两个理想 IJ,由于 J 是一个李子代数,我们立得 IJ

附注:顺序不影响理想判断

由于 [x,y]=[y,x] 仍位于子空间中,因此上面的定义中,写成 [x,y][y,x] 均无关紧要。

与环上的双边理想、群上的正规子群类似,李代数上的理想也充当着同态的核的作用。

以下列举理想的一些例子:

例子:理想

对于李代数 L,其一些理想有

  1. L 本身显然为 L 的理想;
  2. 零空间 0 显然也为 L 的理想:称为零理想;
  3. 由李括号定义的中心(center) 是非平凡理想的一个例子。其定义为Z(L)={zL:[x,z]=0,xL}.对中心的一个理解是:如果李括号定义为 F 代数上交换子,则中心就是与 L 中所有元素乘法可换的元素的集合;
  4. L导出代数(derived algebra) [L,L][L,L]:={[x,y]:x,yL}.由理想的定义,显然其为 L 的一个理想。
  5. 理想的原像是理想:若 ϕ:LL 为同态, IL,则 ϕ1(I) 是一个理想,因为
    • I 是子空间,所以 ϕ1(I) 是子空间;
    • [I,L]I,即 ϕ([ϕ1(I),L])I,即 [ϕ1(I),L]ϕ1(I)

上面提到的导出代数是一个挺重要的概念:它能取到很多很多空间。

导出代数的一些极端例子

  1. 如果 L 是 Abel 李代数,则 [L,L]=0;显然反过来也成立;
  2. L=sl(n,F)(若 charF=2,取 n2),研究其乘法表可知 L=[L,L]. 练习 1.9 说明四类典型李代数都满足这一条件。

陪集

定义:陪集(coset)

对理想 IL,元素 xL

x+I:={x+a:aI}

称为一个 陪集(coset)

理想的运算

与环中相同,对李代数中理想,也可以定义其运算。

定义:理想的加法

I,JL,定义其加法为 IJ{x+y:xI,yJ}.

定义:理想的李括号

I,JL,定义其李括号为 [I,J]={[x,y]:xI,yJ}.

特别地,取 I=J=L,即为导出代数。

单李代数

有的李代数比较复杂:它可以一个理想接一个理想,一层套一层;有的李代数就比较简单。

定义:单李代数 (simple algebra)

若李代数 L 满足

  1. L 不是 Abel 李代数(其上李括号不平凡);
  2. L 没有除自身及 0 以外的其它理想。

2 这个要求可不平凡:我们知道 Z(L)[L,L]L 中的理想,现在它们只能在 0L 中取值了。1 表明 [L,L]0,所以 L=[L,L];1 表明 Z(L)L,只能有 Z(L)=0

例子 :单李代数

考虑特殊线性代数 L=sl(2,F),这里 charF2。取其一个标准基

x=(0100), y=(0010), h=(1001).

验证可知 [x,y]=h, [h,x]=2x, [h,y=2y]。设 IL 中的一个非零理想,取其一非零元 ax+by+cz。若 a0,用 ady 作用两次得 2ayI,故 yI;若 b0,用 adx 作用两次得 2bxI,故 xI;若 a=b=0,则 c0,因此 hI。无论如何 x,y,h 中都有属于 I 的元素,由乘法表作用即有这三个元素都在 I 中,故 I=L

附注:单李代数的维数至少为 3

一维李代数只有 Abel 代数;二维李代数只有 Abel 代数与 [x,y]=y 两种,后者表明该代数有理想 FyL

附注:三维 RC 上单李代数的分类

C 上三维单李代数有且仅有 sl2(C)R 上三维单李代数有且仅有 (R3,×)sl2(R)

商代数、典范映射与直积

如果 L 不单(且不为一维),则其至少有一个非零真理想 I。与环代数中同样的是,李代数可以与理想作商,得到商代数。

定义:商代数(quotient algebra)

IL。商代数 L/I 的定义为:

  1. 其中的元素为陪集 x+IxL
  2. [x+I,y+I]=[x,y]+I

通过 I 的定义,良定性容易验证。

定义:典范映射(canonical map)

映射 π:LL/I, xx+I 称为典范映射。

我们还可以定义李代数间的直积:

定义:直积(direct product)

L,L 为李代数,定义其直积为

L×L:={(x,y):xL,yL}.

其上运算为:

[(x1,y1),(x2,y2)]:=([x1,y1]L,[x2,y2]L),$$$$(x1,y1)+(x2,y2)=(x1+Lx2,y1+Ly2).

正规化子与中心化子

类似群论,我们也可以定义所谓正规化子与中心化子。

定义:正规化子(normalizer)

K<L 为子代数(或子空间),则 K 关于 L正规化子 (normalizer) 定义为

NL(K)={xL:[x,K]K}.

正规化子是一个子代数。

正规化子最重要的性质是:若 K 为子代数,则其为包含 K 作为其理想的最大子代数。即:

定理:正规化子是将子代数作为理想的最大子代数

K<L 为子代数,若子代数 M 满足 KM,则 M<NL(K)

证明KM,则对任意 mML[m,K]K

定义:中心化子(centralizer)

XL 为子集,所有与 X 交换的元素构成的集合为 中心化子(centralizer)

CL(X)={xL:[x,X]=0}.

中心化子也是一个子代数;特别地, CL(L)=ZL

特别地,若 K=NL(K),称 K 自正规化(self-normalizing)

同态与表示

我们已经在上次课定义了同态、同构的概念。我们接下来继续研究同态的各种性质。

同态的核与像

定义:同态的核(kernel)

ϕ 为同态,其核为 kerϕ={xL:ϕ(x)=0}.

核是一个理想:若 ϕ(x)=0,则对任意 yL,都有 ϕ([x,y])=[ϕ(x),ϕ(y)]=0.

同理,可以定义同态的像

定义:同态的像(image)

ϕ 为同态,其像为imϕ={ϕ(x):xL}.

同态的像是一个子代数。

同态定理

三大同态定理在李代数中也有对应项。

定理:三大同态定理

  1. (第一同态定理)若 ϕ:LL 是李代数间的一个同态,则L/kerϕimϕ,另一方面,若 IkerϕL 中的任一理想,则存在唯一的同态 ψ:L/IL 使得下面的三角形图交换。这里 π 是典范映射。
  2. (第三同态定理)如果 I,JLIJ,则 J/IL/I 的一个理想,且L/IJ/IL/J.
  3. (第二同态定理)如果 I,JL,则 I+JJIIJ

	\begin{document}
	\begin{tikzpicture}
		\node at (0,0) {$L$};
		\node at (3,0) {$L'$};
		\node at (3,-3) {$L/I$};
		\draw[->] (.5,0) -- (2.5,0) node[pos=.5,above] {$\phi$};
		\draw[->] (3,-2.5) -- (3,-.5) node[pos=.5,right] {$\psi$};
		\draw[->] (.5,-.5) -- (2.5,-2.5) node[pos=.5,below left] {$\pi$};
	\end{tikzpicture}
	\end{document}

表示

“表示” 是一种特殊的同态。我们先前已经接触过伴随表示,现在来介绍更一般的表示理论。

定义:表示(representation)

ϕLgl(V) 的一个同态,则称 ϕ 是一个表示。

例如,先前介绍的伴随表示 ad:Lgl(L),就是一个表示。

另一个表示的例子是:若 L<gl(V) 是一个线性李代数,则嵌入 Lgl(V) 也是一个表示。

作为本节最后,我们用同态观点来研究 ad 的性质。注意到

adx=0zL,[x,z]=0xZ(L).

因此 keradL=Z(L)

特别地,如果 L 是单的,则 Z(L)=0,因此 kerad=0ad 是一个单同态。因此,同态 ad:Lgl(L) 的同态定理 L/keradimad<gl(L) 给出

定理:单李代数同构于线性李代数

如果 L 是单的,则其同构于 adL,而后者是一个线性李代数。

自同构

自同构是李代数自身到自身的同构:Aut(L)。我们在群论中已经见过,自身到自身的同构可以有很多种。线性李代数的一种重要例子是:如果 gV 的一个可逆线性同态,且 gLg1=L,则映射 xgxg1 就是一个自同构。

考虑特殊情况:charF=0。假设 xL 满足 adx 是幂零的,则对其而言,指数 expadx 是可定义的,因为其有且仅有有限项。我们可以证明 exp(adx)L 的一个自同构。

更一般地,设 δL 的任一个幂零导子(注意 adx 也是一个导子),则 expδ 也是一个自同构。这是因为

expδ(x)expδ(y)=(i=0k1δixi!)(j=0k1δiyj!)=n=02k2i=0nδixi!δniy(ni)!=Leibnizn=02k2δn(xy)n!=δk=0n=0k1δn(xy)n!=expδ(xy).

expδ 的逆是 exp(δ)

幂零元与内自同构

如果 adx 是幂零的,则称由形如 exp(adx) 生成的同构子群为内自同构群(inner automorphism group),记作 IntL,这是一个正规子群。

最后,我们说明一个重要的性质

(expx)y(expx)1=expadx(y),

这里 xL 是幂零的,LglV 为任一线性李代数,charF=0

为证明这一结论,考虑同态

λx:=EndVEndV,yxyρx:=EndVEndV,yyx

adx=λx+ρx。乘积法则说明

expadx=exp(λx+ρx)=expλxexpρx=λexpxρexp(x)

再由此即可推出上述结论。