3. 可解性和幂零性

可解性

通过 L 的理想来研究 L 的这一想法是自然的。本节我们通过发掘导出代数的形成来研究李代数。

导出列与可解性

我们先定义导出列的概念:

定义:导出列 (derived series)

L(0)=L,L(n+1)=[Ln,Ln] 称为 L 的一个导出列。

像群论中的定义一样,可解性定义为

可解性(solvability)

如果存在 n 使 L(n)=0,则称 L 可解(solvable)。

例子:可解与不可解的例子

  1. Abel 代数显然可解,特别地,L 的中心 Z(L) 是可解的;
  2. 单李代数 显然不可解,因为 L=[L,L];
  3. 幂零李代数 是可解的:因为 L(i)⊂Li .

例子 :上三角代数

tn(F) 是可解的,因为

[tn(F),tn(F)]=nn(F), [nn,nn]=(aij)j−1≥2=:L(2), [(L(2),L(2))]=(aij)j−i≥22,⋯

可解理想

定义:可解理想

若 I⊲L 为一个理想,且 I 作为李子代数可解(注意理想是一个李子代数),则称 I 是一个可解理想(solvable ideal).

可解李代数与可解理想有如下的一些性质。

定理:可解李代数的性质

  1. 可解李代数的子代数与同态的像都是可解的。
  2. 如果理想 I⊲L 可解且 L/I 可解,则 L 可解。
  3. 如果理想 I,J 可解,则 I+J 可解。

证明: 1) 若 K<L,则 K(i)<L(i)。若 ϕ:L→M 满,则 ϕ(L(i))=M(i)。

  1. 不妨设 (L/I)(n)=0,考虑典范映射 π:L→L/I,则 π(L(n))=0,即 L(n)⊂I,从而 (L(n))m=L(n+m)=0。
  2. I,J 可解,所以 I/(I∩J) 可解,再利用第二同态定理及 2)。

根(radical):唯一的极大可解理想

设 L 为一李代数,则其上存在可解理想;特别地,存在极大可解理想.

定义:极大可解理想

称 I 为 L 的一个极大可解理想,若

  1. I 可解;
  2. 不存在理想 J≠I,J≠L,使得 I<J<L .

我们证明,对有限维李代数而言,极大可解理想存在且唯一:

定理:极大可解理想的存在唯一性

  1. 设 L 为一有限维李代数,则 L 有唯一的极大可解理想.
  2. 设 L 具有极大可解理想 M,则其极大可解理想唯一;特别地,对任一可解理想 S,有 S⊲M .

证明: 1. 先证存在性.全体可解理想构成的集合

Ω:={I⊲L: I(n)=0, ∃n}

首先是非空的,因为 0∈Ω;其次,对于 Ω 在包含关系下的一个全序子集 Ω′⊂Ω,其中元素满足

(∗)I1<I2<I3<⋯

因为 L 是有限维的,故 I1,I2,⋯ 都是有限维的;由包含关系,dim⁡Ik<dim⁡Ik+1≤dim⁡L,∀k .因此链 (∗) 是有限长的,从而其必有一个上界.故由 Zorn 引理, Ω 关于包含关系存在极大元,即极大可解理想存在.

唯一性由 2. 即证.

2.若 L 存在极大可解理想 M,则对任一可解理想 S,由可解理想的可加性知 M+S 是可解理想,且

M≤M+S.

但 M 为极大可解理想,故 M=M+S,即 S⊲M .

特别地,若 M′ 也为 L 的极大可解理想,则 M′⊲M,M⊲M′,故 M=M′,这就说明 L 只有一个极大可解理想. ◻

对李代数 L ,我们将这一最大可解理想称为其(可解) 根(radical).

定义:(可解)根(radical)

称李代数 L 的唯一极大可解理想为其(可解)根(radical),记作 radL .

半单李代数

如果李代数 L 的根 radL=0,称 L 是一个半单李代数.

定义:半单李代数(semisimple Lie algebra)

若 radL=0,称 L 为半单李代数(semisimple Lie algebra).

也就是说,L 除了零理想外不存在可解理想.

例子:半单李代数

  1. 单李代数是半单李代数:其理想只有 0 和 L,其中 0(=Z(L)) 是可解的、L(=[L,L]) 是不可解的,因此 radL=0 .
  2. 0 是半单李代数.
  3. 对任意李代数 L, L/radL 是半单李代数:假设 I 是 L/radL 的一个可解理想,则典范映射 π:L↦L/radL 下 I 的原像 π−1(I) 是包含 radL 的一个理想,则 I=π−1(I)/radL 可解且 radL 可解,故 π−1(I) 可解且包含 radL,这与极大性矛盾.

半单李代数的另一个刻画是:

定理:李代数半单当且仅当其无非零 Abel 理想

L 半单当且仅当不存在理想 0≠I⊲L,使得 [I,I]=0 .

证明: 充分性.反设 L 半单且有 Abel 理想 I,则 I 可解,从而 I⊲radL,这与 radL=0 矛盾.

必要性.若 L 非半单,则 radL≠0. radL 的导出列

radL>(radL)(2)>⋯>(radL)(n−1)>(radL)(n)=0

的最后一个非零项 (radL)(n−1) 就是 Abel 理想,因为

0=(\operatorname{rad} L)^{(n)}=[(\operatorname{rad} L)^{(n-1)},(\operatorname{rad} L)^{(n-1)}].$$从而存在这样的理想. $\square$ 我们后续将在 Killing form 的讨论中用到这一刻画. 特别地,这说明半单李代数没有一维理想,且其二维理想至多为 $[x,y]=y$ ——后面的讨论将看到其连这一理想都没有,因为半单李代数的最小理想是单理想,至少是三维的。 今后,本书最重要的一大部分内容就是研究特征零域上的半单李代数. # 幂零性(nilpotency) ## 递降中心列(DCS)与幂零性 > [!note] 定义:递降中心列(descending central series) > 对李代数 $L$,序列 > $$L^0:=L,\quad L^n:=[L,L^{n-1}]

称为 L 的递降中心列(descending central series) 或 下中心列(lower central series).

递归易证导出列的某一项含于递降中心列对应的项: L(n)⊂Ln .

定义:幂零李代数(nilpotent Lie algebra)

若存在 n∈N 使 Ln=0,则称 L 是幂零的(nilpotent).

附注:可解李代数不一定幂零

先前我们已经说明幂零李代数一定是可解的;但可解李代数不一定幂零.考虑 tn(F):

  • 它是非幂零的,因为[tn(F),tn(F)]=nn(F),[tn(F),nn(F)]=nn(F).
  • 它是可解的,我们之前已经证过.
    另一个可解但不幂零的例子是:L=Fx⊕Fy, [x,y]=y .

幂零代数与中心有着深切的关系.
{ #ff}
67 eb

命题:幂零代数与中心的关系

  1. 如果 L 是幂零的,则其子代数及同态像均为幂零的.
  2. 如果 L/Z(L) 是幂零的,则 L 也是幂零的.
  3. 如果 L 非零且幂零,则其中心非平凡: Z(L)≠0 .进一步,递降中心列的最后一个非零项位于 Z(L) 中.

证明: 1: ϕ(L)n⊂ϕ(Ln),Kn⊂Ln.

2:若 L/Z(L) 幂零,不妨设 (L/Z(L))n=0,因此 Ln⊂Z(L),从而

Ln+1=[L,Ln]⊂[L,Z(L)]=0.

3: 设 Ln+1=0 ,即 [L,Ln]=0,这说明 Ln⊂Z(L) .

伴随表示幂零性(ad-nilpotency)

从伴随表示的视角,可以刻画幂零李代数的性质:

命题:幂零李代数的伴随表示视角

L 幂零当且仅当存在只与 L 有关的正整数 n,使得对任意 x1,⋯,xn,y 有

adx1∘adx2∘adx3∘⋯∘adxn(y)=0.

这一命题是显然的.

这一视角启发我们去研究 L 中元素的伴随表示的幂零性.定义:

定义:伴随表示幂零性(ad-nilpotency)

设 x∈L,若 adx∈End(L) 是幂零元,则称 x 是 伴随表示幂零的(ad-nilpotent).

下面的命题显然是对的:

命题:李代数幂零则所有元素伴随表示幂零

设 L 幂零,则对任意 x∈L,adx 幂零.

一个非常有意思且非常不平凡的事情是:上述命题的逆命题也是对的,这就是所谓Engel 定理.

Engel 定理

Engel 定理及其证明

Engel 定理:所有元素伴随表示幂零则李代数幂零

若对于任意 x∈L,都有 adx 幂零,则 L 幂零.

事实上,Engel 定理是下面的一个更有意思的定理的一个特殊情况(dim⁡L=1):

定理 1:幂零线性李代数必可作用于向量化零

设 L 是 gl(V) 的一个子代数,其中 V 非零且有限维.若 L 由幂零线性同态构成,则存在非零向量 v∈V 使 L⋅v=0 .

我们先引入一个引理.

引理:线性李代数线性幂零元的伴随表示一定幂零

设 x∈gl(V) 为线性幂零线性同态,则 adx 也是幂零的.

引理的证明: 对 x 定义两个同态(左乘及右乘):

λx(y)=xy,ρx(y)=yx.

这两个同态是幂零的,因为 x 是幂零的.另一方面,λx 与 ρy 是可换的,因为

λx∘ρy(z)=xzy=ρy∘λx(z)

因此 adx=λx−ρx 是幂零的:(adx)deg⁡λx+deg⁡ρy 当然是 0. ◻

附注:对这一引理的理解

如果 K⊂gl(V) 是线性幂零的线性李代数,则 adK:={adx:x∈K}⊂End(gl(V)) 是 gl(V) 的一个幂零的自同态集.特别地,将 adK 限制在包含 K 的一个较大的子空间 L 上,则 adK 就是 L 的一个幂零的自同态集.
用李代数作用的语言,如果 K<L 是线性李代数,且 K 是幂零的,则 K 可以通过伴随表示作用于 L:x⋅v:=adx(v) ,且这一作用也是幂零的.

下面我们证明定理 1.

定理 1 的证明: 对 dim⁡L 归纳. dim⁡L=0 或 1 的情形是显然的 (L=Fx,xnV=0⇒Rx⋅(xn−1v)=0).

对一般情况,假设命题对小于 dim⁡L 的情形成立.我们先开发一 Claim:

Claim 1

设 K≠L 是 L 的任一非零李代数,则存在 x∈NL(K)∖K ,使得 K 通过伴随表示作用于 x 的结果在 K 之中.

Claim 1 的证明. 我们用归纳假设构造出一个满足条件的 x∈L∖K,然后证明 x∈NL(K) .

K≠L 是 L 的任一非零子代数,则 dim⁡K≥1,且 K 也是幂零线性李代数.由引理,K 通过伴随表示幂零地作用于线性空间 L,同理如此作用(将伴随表示诱导的同态复合上一个同态 φ)于 L/K .这一作用诱导的同态满足如下的交换图:

\begin{document}
\begin{tikzpicture}
	\node at (0,0) {$K$};
	\node at (3,0) {$\mathrm{gl}(L)$};
	\node at (3,-3) {$\mathrm{gl}(L/K)$};
	\draw[->] (.5,0) -- (2.5,0) node[pos=.5,above] {$\mathrm{ad}$};
	\draw[->] (3,-.5) -- (3,-2.5) node[pos=.5,right] {$\varphi$};
	\draw[->] (.5,-.5) -- (2.5,-2.5) node[pos=.5,below left] {$\varphi\circ\mathrm{ad}$};
\end{tikzpicture}
\end{document}

这里, φ:gl(L)→gl(L/K) 为典范的“同态嵌入”,就是将同态 (v↦v′) 映为同态 (v+K↦v′+K) 的“线性同态的同态”.也就是说,对任意的 z∈K,其在 φ∘ad 下的结果为

φ∘ad(z):=(w+K↦[z,w]+K).

容易验证这是良定义的.

假设在 φ∘ad 下, K 打到 gl(L/K) 中的像为 K′ .由于 dim⁡K′≤dim⁡K<dim⁡L,归纳假设保证存在 x+K∈L/K 使得 K′ 作用于 x+K 为 0 ,这里 x 是一个 L∖K 中的代表元.即对任意 y′∈K′⊂gl(L/K),都有 y′(x+K)=0 .这说明对任意 y∈K ,都有

0=φ∘ad(y)(x+K)=[y,x]+K⇒[y,x]∈K.

最后,回忆正规化子的定义:NL(K):={x∈L:[x,K]⊂K} .上面的式子说明 x∈NL(K) . Claim 1证毕. #

回到原题. 在上述 Claim 中取 K 为 L 的极大真子代数.由于 K⊲NL(K),因此 NL(K)=L 或 K(极大性),无论如何都有 K⊲L ,因此商代数 L/K 可以定义.我们现在来说明:

Claim 2:商去极大真子代数后维数为 1

取 K 为 L 的极大真子代数,则在上述条件下, dim⁡L/K=1 .

Claim 2 的证明. 否则,L/K 的任一一维子代数在典范映射 π:L→L/K 下的原像将是包含 K 的一个子代数,矛盾. #

回到原题. 因此,K 的余维数为 1,因为恰有一个子空间 Fz 使得 z+K∈L/K .因此,我们可将 L 写为

L=K+Fz,z∈L∖K.

我们最后借这一拆分完成证明.

考虑被 K 零化的线性空间

W={v∈V:K(v)=0}.

由归纳假设,W 非零.我们下面说明 W 是 z 的作用的一个不变子空间.这是因为对任意 y∈K ,v∈V 有

y(z(v))=(yz)(v)=(yz)(v)−z(y(v))⏟=0=(yz−zy)(v)=[y,z](v)=0,

其中最后一个等号是因为 K 是理想,故 [y,z]∈K,从而 v 被 [y,z] 零化.由于 y 是任意的,以上说明 z(v)∈W,由 v 的任意性, W 是 z 的作用的一个不变子空间.因此限制映射 z|W 有特征向量 v∈W,z(v)=0,故 L(v)=K(v)+Fz(v)=0. ◻

最后,我们用这一定理证明 Engel 定理.

Engel 定理的证明: 对 dim⁡L 归纳. dim⁡L=0,1 时显然(各只有一种代数).

设命题对小于 dim⁡L 的元素成立,且李代数 L 的所有元素均为伴随表示幂零的,则 adL⊂gl(L) 满足定理 1,从而存在 x∈L∖{0} 使得 [L,x]=0,这说明 L 的中心 Z(L) 非平凡.因此

L/Z(L)

由幂零元构成(考虑典范映射),且维数严格小于 L ,由归纳假设知其幂零.根据幂零代数与中心的关系,我们得到 L 是幂零的.

综上,由归纳法,命题成立. ◻

本节由一个例题结束.

例题:nn(F) 是幂零的

证明:应用引理及 Engel 定理.

注意:伴随表示幂零不能得到线性幂零

考虑单位阵 In:显然其伴随表示是幂零的,但它自身不是线性幂零的!

读者应谨记两类截然不同的幂零线性李代数:dn(F),nn(F) .

旗(flag)

定理 1的一种等价形式是用旗刻画的性质.我们先介绍旗的概念:

定义:旗(flag)与稳定化(stabilization)

设 dim⁡V=n,线性空间 V 的一个 旗(flag) 是子空间链

0=V0⊂V1⊂⋯⊂Vn=V,dim⁡Vi=i.

若 x∈End(V) 满足 x(Vi)=Vi,∀i ,我们称 x **稳定(stabilizes)**这个旗.

则定理 1 的一个推论(实际上是等价形式)是

推论

设 L 是 gl(V) 的一个子代数,其中 V 非零且有限维.若 L 由幂零线性同态构成,存在一个旗 {Vi}⊂V,使得对任意的 x∈L,都有 x⋅Vi⊂Vi−1.
用矩阵的语言表示:存在 V 的一组基,使得 L 中所有元素在这组基下的矩阵在 nn(F) 中.

证明: 对 dim⁡V 归纳. dim⁡V=0,1 时显然.设对 dim⁡V−1 成立,则对 dim⁡V,设 v∈V 为任一被 L 零化的向量——由定理 1,这一类向量是存在的.令 V1=Fv,令 W=V/V1,则 W 中存在这样的旗,考虑这样的旗在典范同态下的原像即可. ◻

一个有用的引理:定理 1的一个应用

引理:幂零李代数中非零理想必含中心元素

设 L 是幂零李代数, K 为非零理想,且 L 的中心非平凡,则 K∩Z(L)≠0.

证明: 设 L 通过伴随表示作用于 K,由定理 1 可取出一个 K 的非零元 x,使得 L 与其作用时将其零化,即 [L,x]=0,从而 x 为中心元素. ◻