6. 表示的完全可约性

注意

本节中,我们默认各表示均为有限维的。

我们今后将通过伴随表示来研究半单李代数。事实证明, L 是由 sl2(F) 构建的,因此我们需要考虑 sl2(F) 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

L 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。

L 模(L-module)

V 是一个线性空间,其上定义一个作用 L×VV,(x,v)xv,满足如下条件:

  1. L 线性性:(ax+by)v=a(xv)+b(yb)
  2. V 线性性:x(av+bw)=a(xv)+b(xw)
  3. 李括号变为交换子:[x,y]v=xyvyxv

则称 V 是一个 L 模(L-module)

本书应当只讨论有限维的模。

例子:L

ϕ:Lgl(V) 是一个表示,则 V 可视作一个 L 模,其上作用定义为

xv:=ϕ(x)(v).

事实上,给定一个 L 模,其都对应于一个表示 ϕ:Lgl(V)

附注

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。

L 模内部有另一个模,称其为 L 子模。确切地说,

定义:L 子模

VL 模,W<V 为子空间,且 LW 的作用仍落在 L 中,则称 W 是一个 L 子模(L-submodule)

事实上,我们有:

定理:L 子模是全体表示元素的不变子空间

VL 模,W<V 为子空间,则 WL 子模当且仅当 WLV 上表示的不变子空间。
特别地:若 Lx1,,xn 生成,则 WL 子模当且仅当 Wx1,,xnV 上表示的不变子空间。

证明: 必要性。 LV 的作用诱导表示 ρ:Lgl(V)。若 WL 子模,则对任意 xLvW,都有 ρ(x)vW,从而 ρ(L) 中全体元素都以 W 为一不变子空间。

充分性。 任取 xL 都有 ρ(x)W 为不变子空间,则 xW 的作用仍落在 W 中:

xWW.

因此作用对 W 封闭。这就说明 W 是子模。

L-模的同态

定义:L-模的同态

若从 LVLW 的线性变换 ϕ 满足

ϕ(xv)=xϕ(v),xL

则称 ϕ 是一个 L 模同态(homomorphism)

其核、像的定义是正常定义。显然其核是一个 L 子模(同理有三大同态定理)。当 ϕ 是线性空间之间的同构时,我们称 ϕ 是一个 L 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 L 模,可以定义其直和 :

模的直和

V,WL 模,称线性空间 VW 为其直和,若其上数乘结构定义为

x(v,w)=(xv,xw).

L-模的不可约性与完全可约性

不可约性(irreducibility)

L不可约(irredecible),若其有且仅有两个 L 子模(自身及 0)。

附注

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 L 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)

L完全可约(completely reducible),若 V 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。

定理:L 模完全可约性的等价定义

VL 模,则 V 完全可约当且仅当其各 L 子模在直和意义下有补模,即对任意 WV,都存在 WV 有 $$V=W\oplus W'.$$

证明: 必要性显然,只证充分性。对 dimV 归纳,若 V 不可约,已证;若 V 可约,则其有子模,取其任一子模 W,则 dimW<dimV;依条件其有补模 W,则 dimW<dimV。依归纳假设,WW 可表示为一系列不可约子模的直和,故 V=WW 也可表示为一系列不可约子模的直和。

附注

以上的这些标准说法在 dimV= 时其实也是合理的。当然,术语 “不可约” 及 “完全可约” 同样对 L 的表示可用。

Schur 引理

给定一个表示 ϕ:Lgl(V),由 ϕ(L)EndV 中生成的含幺结合代数会保持和 L 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:

模上的 Schur 引理

ϕ:Lgl(V) 是不可约表示,则 V 上与所有 ϕ(x)xL) 可换的同态是标量。

证明:fEndV 满足 [f,φ(x)]=0xL .设 λf 的一个特征值,则 g=fλIVV 上的一个核非零的同态,且其与 φ(x) 也可换 .我们只需证明 kerg=V

vkergxL,由于 g 和全体 φ(x) 可换,因此

g(xv)=gφ(x)(v)=φ(x)g(v)=0

xvkerg .但由 V 不可约且 kergV 的一个 L 子模,故 kerg=V

一个例子是,L 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

V 是一个 L 模,则其对偶空间 V 可变为一个 L 模(称为对偶模(dual module)逆行模(contragredient module)),通过定义以下的数乘:

对偶模(dual module)

V 是一个 L 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:

fV,(xf)(v)=f(xv),vV.

二线性性显然.对李括号打到交换子的要求,由

([x,y]f)(v)=f([x,y]v)=f(xyvyxv)=f(xyv)+f(yxv)=(xf)(yv)(yf)(xv)=(yxf)(v)+(xyf)(v)=((xyyx)f)(v).

故成立.

张量积

V,WL 模,则其作为线性空间的张量积 VW 的基是 V,W 的基的张量积:viwj .读者可能知道如何在群 G 的两个 G 模的张量积上定义模结构:

g(vw)=gvgw.

对李代数,也可以类似定义,方法是对上面的式子取“微分”:

定义:张量积的模

V,WL 模,则 VWL 模,若其上数乘定义为

x(vw)=(xv)w+v(xw).

二线性性是显然的.对李括号打到交换子的要求,如下:

 [x,y](vw)=([x,y]v)w+v([x,y]w)=(xyvyxv)w+v(xywyxw)=(xyvw+vxyw)(yxvw+vyxw),(xyyx)(vw)=(xyvwyxvw)+(vxywvyxw)=(xyvw+vxyw)(yxvw+vyxw).

可以看出二者相等.

线性空间的线性同态

V 是一个 L 模,则 V 是一个 L 模,从而 VV 是一个 L 模.另一方面,熟知下面的线性同态

f:VVEndV,fv(wf(w)v)

是一个同构.我们借这一同构可以将 EndV 看一个 L 模.注意到

V:xvV:xf(v)=f(xv)VV:x(fv)=xfv+fxvEndV:fV,{xf(w)v=(xf(w))v+f(w)(xv)=f(xw)v+x(f(w)v)=f(xw)v+x(f(w)v)g(w):=f(w)vxg(w)=xg(w)g(xw).

从而 EndV 上的 L 模结构定义为

定义: EndV 上的 L 模结构

VL 模,则 EndVL 模,其上模结构定义为

fEndV,(xf)(v)=xf(v)f(xv).

更一般地:注意到 hom(V,W)VW 同构,可定义 hom(V,W) 上的模结构:

定义: hom(V,W) 上的 L 模结构

V,WL 模,则 hom(V,W)L 模,其上模结构定义为

fhom(V,W),(xf)(v)=xf(v)f(xv).

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 L 为半单李代数, ϕ:Lgl(V) 为一个忠实表示(faithful representation)

定义:忠实表示(faithful representation)

称一个表示 Lgl(V) 为忠实表示,若其为双射.

定义:迹型(trace form)

β:Lgl(V) 是一个表示,则 β(x,y):=tr(ϕ(x)ϕ(y)) 称为一个迹型.

忠实表示的迹型与 Killing form 相似,有

性质:忠实表示的迹型是非退化对称结合双线性型

  • β 是结合的:β([x,y],z)=β(x,[y,z])
    • 因此其根 SL 的一个理想;
  • β 是非退化的:

事实上,Killing form 只是这种情形中 ϕ=ad 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

定义:对偶基(dual basis)

对半单李代数 L 及其上的非退化对称结合双线性型 β ,设 L 的一组基为 x1,,xn,称一组基 y1,,ynβ 下的对偶基,如果

β(xi,yj)=δij,i,j.
笔者注:对偶基的计算方法

取定一组基 x1,,xn ,若其对偶基为 y1,,yn,不妨设 y1,,ynx1,,xn 下的坐标为列向量 Y1,,Yn
由于 β 为非退化对称结合双线性型,可设其在基 x1,,xn 下的矩阵为 B,则 B 是可逆对称矩阵,有

β(u,v)=uTBv.

对任意的 i,我们欲解方程组

β(x1,yi)=0,,β(xi1,yi)=0,β(xi,yi)=1,β(xi+1,yi)=0,,β(xn,yi)=0.

X1TBYi==Xi1TBYi=Xi+1TBYi==XnTBYi=0,XiTBYi=1.

将所有 x 依顺序从上到下排为一个方阵,则这个方阵正是单位阵 I,由此得到

BYi=(00100)   i-th row   =Xi.

yi=B1xi.
特别地,若 β 为迹型,则 B=(tr(xixj))

对任意的一组基及其任一组对偶基,一个结构性质是:

性质:元素分别与基与对偶基的李括号

x1,,xn 为基, y1,,yn 为任一非退化对称结合双线性型下的对偶基,xL,记

[x,xi]=jaijxj,,[x,yi]=jbijxj.

aik=bkik.

证明:β 的结合性,计算得:

aik=jaijβ(xj,yk)=β([x,xi],yk)=β([xi,x],yk)=β(xi,[x,yk])=jbkjβ(xi,yj)=bki.

注意 β(xj,yk)=δjk

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

L 为李代数,ϕ 为任一表示,β 为一非退化对称结合双线性型,x1,,xn 为一组基,其在 β 下的对偶基为 y1,,yn,则 ϕβ 下的 Casimir 元定义为

cϕ(β):=i=1nϕ(xi)ϕ(yi).

直接验证可立得如下的性质:

命题:Casimir 元与李代数的像交换

对任意表示 ϕ 及非退化对称结合双线性型 βcϕ(β)ϕ(L) 交换.

证明:ϕ:Lgl(V)L 的任一个表示,记 cϕ(β)=iϕ(xi)ϕ(yi)EndV .对任意 xL, 由

[x,yz]=[x,y]z+y[x,z]

aik=bki,我们得到

 [ϕ(x),cϕ(β)]=i[ϕ(x),ϕ(xi)]ϕ(yi)+iϕ(xi)[ϕ(x),ϕ(yi)]=i,jaijϕ(xj)ϕ(yi)+i,jbijϕ(xi)ϕ(yj)=0

从而 cϕ(β)ϕ(L) 交换.

命题:Casimir 元的迹

tr(cφ(β))=i=1ntr(φ(xi)φ(yi))=dimL.

忠实表示的 Casimir 元

特别地,若 φ 为半单李代数 L 的忠实表示,βφ 的迹型,则 φ 的 Casimir 元定义为

忠实表示的 Casimir 元(Casimir Element)

φ 为忠实表示, x1,,xnL 的一组基,其在迹型 β(x,y):=tr(φ(x)φ(y)) 下的对偶基为 y1,,yn,则 φ 的 Casimir 元为

cφ:=i=1nφ(xi)φ(yi).
例子:计算 sl2(F) 的对偶基与 Casimir 元

置忠实表示为嵌入. sl2(F) 的一组基为 (x,h,y) .计算其在这组基下的迹型矩阵为

B=(tr(xiyi))=(121),B1=(1121).

因此 (x,h,y) 的对偶基为 B1(x,h,y)=(y,h/2,x),Casimir 元为

cϕ=xy+h22+yx=diag(32,32).

sl2(F) 的 Casimir 元是一个纯量阵,这是不是偶然的?事实上,若 ϕ:Lgl(V) 为不可约忠实表示,由于 Casimir 元 cϕϕ(L) 交换, Schur 引理 给出 cϕ 是一个纯量阵.由于 cϕ 的矩阵是 dimV×dimV 型矩阵,因此其为元素为 dimLdimV 的纯量阵.在 sl2 的情型,直接嵌入当然是不可约忠实表示,因此其 Casimir 元形如 dimLdimV=32.

非忠实表示的 Casimir 元

ϕ 不是忠实表示,则 kerϕ0,Casimir 元相关的性质要作一些修改.

注意到 kerϕL 的一个理想,由于 L 半单,因此 Lkerϕ 均是特定单理想的直和 .记 L=kerϕL,则 L 为剩余单理想直和,且 ϕ 限制在 L 上为忠实表示,则定义 Lϕ 的忠实表示为

定义:L 上的 Casimir 元

Lϕ 的 Casimir 元定义为 L 的 Casimir 元.

显然其与 ϕ(L)=ϕ(L) 交换.

附注

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 L 的特定半单理想的表示.如果 L 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—— L 在其上只有平凡作用.

Weyl 定理

引理:半单李代数的表示在特殊线性代数中

ϕ:Lgl(V) 是半单李代数 L 的任一表示,则 ϕ(L)sl(V)
特别地,L 在任一一维 L 模上的作用是平凡的.

证明: 注意 L=[L,L]5. Killing Form#半单李代数是单理想的直和),且 sl(V)=[gl(V),gl(V)] .在一维模上的作用诱导的表示位于 sl(R)=0 中.

Weyl 定理

ϕ:Lgl(V) 是半单李代数的有限维表示,则 ϕ 是完全可约的.

证明: 先证特殊情况: 我们从特殊情况开始: V 有余维数为 1L 子模 W

我们首先说明命题对 W 为不可约 L 模的情况成立,再通过对 dimW 归纳推广到更广泛的情况.

W 不可约的时候: 不失一般性,设 LV 上的作用是忠实的(诱导一个忠实表示);否则设 V 是半单李代数 L/kerφ 上的一个忠实模——即其上作用给出一个忠实表示.设 c=cφφ(L)φ 的 Casimir 元,则 cφ(L) 中的全体同态交换. c 事实上是 V 的一个 L 模同态,因为 c(W)WkercV 的一个 L 子模.

因为 dim(V/W)=1LV/W 上的作用是平凡的(即 ϕ(L) 中的同态将 V 打到 W),cφ(L) 同样也如此.因此 c(V)W,从而 trc|V=trc|W

另一方面,由 Schur 引理知,c 在不可约 L 子模 W 上的作用相当于纯量;且这一纯量肯定不为 0,否则 trc|W=0,从而 trc|V=0 ,这与 Casimir 元的迹的结论 矛盾.因此 kerc 是与 W 的交平凡的一维 L 子模,从而是 W 的一个补.

W 可约的时候:dimW 归纳,将 W 降维到可约的情况.

设命题对 dimW 较小的时候成立,则对当前的 dimW,若 W 不可约则已证;若可约,我们借助子模将其降维.

首先,令 WW 的非零真子模,则 W/WV/W 中余维数为 1 的 L 子模.由归纳假设,V/W 中存在一个 1余维的 L 子模——记作 W~/W ——为 W/W 的补,这里 W~V 中一个包含 WL 子模.

因此 WW~ 中的一个余维数为 1L 子模,dimW<dimW .归纳假设给出存在一个 1 维的子模 X,其为 W 的补:W~=WX ,故 V=W+X;又由 dimW+dimX=dimVW~/WW/W=0,得到 WX=0V=WX

综上,由数学归纳法,此时成立.

再证一般情况:VW 的非零子模,令 homF(V,W) 是线性映射 VW 空间,视作 L 子模 (看这里) .令 VhomF(V,W) 中包含限制在 W 上为纯量的的同态的子空间.

我们验证 V 是一个 L 子模:如果 fV,设 f|W=aIW,则对任意 xL,wW

(xf)(w)=xf(w)f(xw)=a(xw)a(xw)=0.

因此 (xf)|W=0 ,从而 xf 限制在 W 上也为纯量,从而 V 为子模.

WV 中包含限制在 W 上为 0 的同态的子空间,则 WL 子模,LV 映为 W .进一步, V/W 维数为 1,因为 fV 在模 W 意义下被纯量 f|W 确定.假设 V=WW ,定义 g:VW 使 g(W)=0g|W=I|W,则

V=WFg.

由证明的第一段, V 中有一维子模 W,是 W 的补.令 f:VW 使得 W=Ff,则可通过乘上一个标量使 f|W=I|W .由于 Lf 映为 0,因此 0=(xf)(v)=xf(v)f(xv),故 f 是一个 L 模同态.故 kerf 是一个子模.因为 fV 映为 W 且在 W 上作用平凡,我们得到 V=Wkerf,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

Lgl(V) 是半单线性李代数,这里 V 有限维;则 L 包含 gl(V) 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.

推论:

L 是半单李代数,ϕ:Lgl(V) 是有限维表示.若 x=s+n 是抽象 Jordan 分解,则 ϕ(x)=ϕ(s)+ϕ(n) 是通常 Jordan 分解.