我们今后将通过伴随表示来研究半单李代数。事实证明, 是由 构建的,因此我们需要考虑 的更多信息。这将在下一章讨论。在那之前,我们需要一些趁手的工具:Weyl 定理,关于任意半单李代数的表示。
李代数上的模
L-模
设 为李代数。通过模的语言及等价的表示语言来表述常常很方便。和其它的代数理论类似,这种方法有一种自然的定义。
设 是一个线性空间,其上定义一个作用 ,满足如下条件:
- 线性性:;
- 线性性:;
- 李括号变为交换子:。
则称 是一个 模(L-module)。
本书应当只讨论有限维的模。
若 是一个表示,则 可视作一个 模,其上作用定义为
事实上,给定一个 模,其都对应于一个表示 。
这事实上就是将李代数视作一个普通的非结合代数,并在其上定义模结构。
若 模内部有另一个模,称其为 子模。确切地说,
设 为 模, 为子空间,且 对 的作用仍落在 中,则称 是一个 子模(L-submodule)。
事实上,我们有:
设 为 模, 为子空间,则 为 子模当且仅当 是 在 上表示的不变子空间。
特别地:若 由 生成,则 为 子模当且仅当 是 在 上表示的不变子空间。
证明: 必要性。 对 的作用诱导表示 。若 为 子模,则对任意 ,,都有 ,从而 中全体元素都以 为一不变子空间。
充分性。 任取 都有 以 为不变子空间,则 对 的作用仍落在 中:
因此作用对 封闭。这就说明 是子模。
L-模的同态
若从 模 及 模 的线性变换 满足
则称 是一个 模同态(homomorphism)。
其核、像的定义是正常定义。显然其核是一个 子模(同理有三大同态定理)。当 是线性空间之间的同构时,我们称 是一个 模同构(isomorphism)。当是时也,我们称两个模具备等价表示(afford equivalent representations)。
对任意两个 模,可以定义其直和 :
若 为 模,称线性空间 为其直和,若其上数乘结构定义为
L-模的不可约性与完全可约性
称 模不可约(irredecible),若其有且仅有两个 子模(自身及 0)。
我们不认为零模不可约!!!就像我们不认为 1 是素数一样。
然而,我们认为 作用于一个一维空间上产生的平凡模是不可约的。
完全可约性(complete reducibility)
称 模完全可约(completely reducible),若 是一系列不可约子模的直和。
L-模的完全可约性有一个等价的性质。
设 为 模,则 完全可约当且仅当其各 子模在直和意义下有补模,即对任意 ,都存在 有 $$V=W\oplus W'.$$
证明: 必要性显然,只证充分性。对 归纳,若 不可约,已证;若 可约,则其有子模,取其任一子模 ,则 ;依条件其有补模 ,则 。依归纳假设,、 可表示为一系列不可约子模的直和,故 也可表示为一系列不可约子模的直和。
以上的这些标准说法在 时其实也是合理的。当然,术语 “不可约” 及 “完全可约” 同样对 的表示可用。
Schur 引理
给定一个表示 ,由 在 中生成的含幺结合代数会保持和 相同的不变子空间结构,因此像 Jordan-Holder 定理这样在模论中常见定理同样适用于 L-模。特别地,如下模上的 Schur 引理很有用:
设 是不可约表示,则 上与所有 () 可换的同态是标量。
证明: 设 满足 , .设 为 的一个特征值,则 是 上的一个核非零的同态,且其与 也可换 .我们只需证明 .
若 ,,由于 和全体 可换,因此
故 .但由 不可约且 是 的一个 子模,故 .
一个例子是, 是自身上的 L-模(考虑伴随表示),其 L-子模是理想,由此知单李代数自身是一个不可约 L-模,而半单李代数是完全可约 L-模。
模的构造
下面我们来提一些从已知模构造出新模的标准方法。
对偶空间
若 是一个 模,则其对偶空间 可变为一个 模(称为对偶模(dual module) 或 逆行模(contragredient module)),通过定义以下的数乘:
设 是一个 模,则定义其对偶空间为一个对偶模(dual module),若其上数乘定义为:
二线性性显然.对李括号打到交换子的要求,由
故成立.
张量积
若 为 模,则其作为线性空间的张量积 的基是 的基的张量积: .读者可能知道如何在群 的两个 模的张量积上定义模结构:
对李代数,也可以类似定义,方法是对上面的式子取“微分”:
设 为 模,则 为 模,若其上数乘定义为
二线性性是显然的.对李括号打到交换子的要求,如下:
可以看出二者相等.
线性空间的线性同态
若 是一个 模,则 是一个 模,从而 是一个 模.另一方面,熟知下面的线性同态
是一个同构.我们借这一同构可以将 看一个 模.注意到
从而 上的 模结构定义为
若 为 模,则 为 模,其上模结构定义为
更一般地:注意到 与 同构,可定义 上的模结构:
若 为 模,则 为 模,其上模结构定义为
表示的 Casimir 元素
忠实表示
在上一节中,我们用 Cartan 准则证明了半单李代数有非退化 Killing form(看这里).更一般地,设 为半单李代数, 为一个忠实表示(faithful representation):
定义:忠实表示(faithful representation)
称一个表示 为忠实表示,若其为双射.
设 是一个表示,则 称为一个迹型.
忠实表示的迹型与 Killing form 相似,有
- 是结合的:;
- 是非退化的:
事实上,Killing form 只是这种情形中 的一种特殊情况.
半单李代数上非退化对称结合双线性型下的对偶基
对半单李代数 及其上的非退化对称结合双线性型 ,设 的一组基为 ,称一组基 为 下的对偶基,如果
取定一组基 ,若其对偶基为 ,不妨设 在 下的坐标为列向量 .
由于 为非退化对称结合双线性型,可设其在基 下的矩阵为 ,则 是可逆对称矩阵,有
对任意的 ,我们欲解方程组
即
将所有 依顺序从上到下排为一个方阵,则这个方阵正是单位阵 ,由此得到
即
特别地,若 为迹型,则 .
对任意的一组基及其任一组对偶基,一个结构性质是:
设 为基, 为任一非退化对称结合双线性型下的对偶基,,记
则 ,.
证明: 由 的结合性,计算得:
注意 .
Casimir 元
最一般的 Casimir 元
最一般的 Casimir 元的定义为:
定义:李代数上表示及非退化对称结合双线性型的 Casimir 元
设 为李代数, 为任一表示, 为一非退化对称结合双线性型, 为一组基,其在 下的对偶基为 ,则 在 下的 Casimir 元定义为
直接验证可立得如下的性质:
对任意表示 及非退化对称结合双线性型 , 与 交换.
证明: 若 是 的任一个表示,记 .对任意 , 由
及 ,我们得到
从而 与 交换.
忠实表示的 Casimir 元
特别地,若 为半单李代数 的忠实表示, 为 的迹型,则 的 Casimir 元定义为
忠实表示的 Casimir 元(Casimir Element)
设 为忠实表示, 为 的一组基,其在迹型 下的对偶基为 ,则 的 Casimir 元为
例子:计算
的对偶基与 Casimir 元
置忠实表示为嵌入. 的一组基为 .计算其在这组基下的迹型矩阵为
因此 的对偶基为 ,Casimir 元为
的 Casimir 元是一个纯量阵,这是不是偶然的?事实上,若 为不可约忠实表示,由于 Casimir 元 与 交换, Schur 引理 给出 是一个纯量阵.由于 的矩阵是 型矩阵,因此其为元素为 的纯量阵.在 的情型,直接嵌入当然是不可约忠实表示,因此其 Casimir 元形如 .
非忠实表示的 Casimir 元
若 不是忠实表示,则 ,Casimir 元相关的性质要作一些修改.
注意到 是 的一个理想,由于 半单,因此 与 均是特定单理想的直和 .记 ,则 为剩余单理想直和,且 限制在 上为忠实表示,则定义 上 的忠实表示为
上 的 Casimir 元定义为 的 Casimir 元.
显然其与 交换.
通常来说,假设我们在处理的表示是忠实表示是比较方便的——这等价于研究 的特定半单理想的表示.如果 是单李代数,在其所有不可约模中,只有一维模会不是忠实的—— 在其上只有平凡作用.
Weyl 定理
设 是半单李代数 的任一表示,则 .
特别地, 在任一一维 模上的作用是平凡的.
证明: 注意 (5. Killing Form#半单李代数是单理想的直和),且 .在一维模上的作用诱导的表示位于 中.
是半单李代数的有限维表示,则 是完全可约的.
证明: 先证特殊情况: 我们从特殊情况开始: 有余维数为 的 子模 .
我们首先说明命题对 为不可约 模的情况成立,再通过对 归纳推广到更广泛的情况.
当 不可约的时候: 不失一般性,设 在 上的作用是忠实的(诱导一个忠实表示);否则设 是半单李代数 上的一个忠实模——即其上作用给出一个忠实表示.设 是 的 Casimir 元,则 与 中的全体同态交换. 事实上是 的一个 模同态,因为 且 是 的一个 子模.
因为 , 在 上的作用是平凡的(即 中的同态将 打到 ), 同样也如此.因此 ,从而 .
另一方面,由 Schur 引理知, 在不可约 子模 上的作用相当于纯量;且这一纯量肯定不为 0,否则 ,从而 ,这与 Casimir 元的迹的结论 矛盾.因此 是与 的交平凡的一维 子模,从而是 的一个补.
当 可约的时候: 对 归纳,将 降维到可约的情况.
设命题对 较小的时候成立,则对当前的 ,若 不可约则已证;若可约,我们借助子模将其降维.
首先,令 为 的非零真子模,则 是 中余维数为 1 的 子模.由归纳假设, 中存在一个 1余维的 子模——记作 ——为 的补,这里 是 中一个包含 的 子模.
因此 是 中的一个余维数为 的 子模, .归纳假设给出存在一个 1 维的子模 ,其为 的补: ,故 ;又由 且 ,得到 , .
综上,由数学归纳法,此时成立.
再证一般情况: 令 是 的非零子模,令 是线性映射 空间,视作 子模 (看这里) .令 是 中包含限制在 上为纯量的的同态的子空间.
我们验证 是一个 子模:如果 ,设 ,则对任意 ,
因此 ,从而 限制在 上也为纯量,从而 为子模.
令 是 中包含限制在 上为 的同态的子空间,则 是 子模, 将 映为 .进一步, 维数为 ,因为 在模 意义下被纯量 确定.假设 ,定义 使 ,,则
由证明的第一段, 中有一维子模 ,是 的补.令 使得 ,则可通过乘上一个标量使 .由于 将 映为 ,因此 ,故 是一个 模同态.故 是一个子模.因为 将 映为 且在 上作用平凡,我们得到 ,证毕!
Jordan 分解的保存性
Weyl 定理当然是研究半单李代数表示最基本的定理知 .我们在这里给出一些更直接的应用,来展示抽象 Jordan 分解对不同的线性表示都兼容.
定理:半单线性李代数抽象 Jordan 分解等同于 Jordan 分解
令 是半单线性李代数,这里 有限维;则 包含 中所有元素的半单及幂零部分.
特别地,抽象 Jordan 分解与 Jordan 分解同一.
设 是半单李代数, 是有限维表示.若 是抽象 Jordan 分解,则 是通常 Jordan 分解.