15. Cartan 子代数

为了让根系的选择不取决于某极大环面子代数的选定,而让 Φ 直接由 L 确定,我们需要证明所有的极大环面子代数在 AutL 作用下是相互共轭的。这将在下一节被完成,但我们可以将其推广到任意李代数的情型——相应的 H 被称作Cartan 子代数。在更广的上下文下讨论可以使得证明更简单——我们可借助有关可解李代数的一些讨论。

本章中,我们将准备证明的框架:这里 F 一般是任意特征的代数闭域——有时候可被弱化:对我们的主要结论而言,只需 |F∥ 相对于 dim⁡L 不要过小即可。

李代数关于某元素半随表示的分解

回忆 J-C 分解:若 t∈End(V),则 V 是各根子空间 Va 的直和,且将 t 限制到 Va 上后,得到的是纯量乘法 a 与幂零同态的和。

将这一观点对元素 x∈L 的伴随表示来看起。将 L 写为

L=⨆α∈FLα(adx)=L0(adx)⊕L∗(adx),

这里 L∗(adx) 表示诸 La(adx) (a≠0)的直和。更一般地,若 K 是 L 在 adx 下稳定的子代数,我们可以写为

K=K0(adx)⊕K∗(adx),

即使 x∉K。

引理

若 a,b∈F,则 [La(adx),Lb(adx)]⊂La+b(adx) . 特别地, L0(adx) 是 L 的一个子代数,且当 F 特征零、a 非零时, Lα 的每一个元素都是伴随表示幂零的。

证明: 下一公式是这一引理证明中提到的公式的一个特殊情况:

(adx−(a+b))m([y,z])=∑i=0m(mi)[(adx−a)m−i(y),(adx−b)i(z)].

对足够大的 m,右侧均为 0:若 y∈La(adx),z∈Lb(adx)。 ◻

Engel 子代数

由上述引理,L0(adx) 是 L 的一个子代数,对 x∈L 来说。我们称这样的子代数叫 Engel子代数。

定义:Engel 子代数

对固定的 x∈L,称 adx 关于特征值 0 的根子空间 L0(adx) 为 Engel子代数(Engel subalgebra)。

引理:极小 Engel 子代数为最小 Engel 子代数

设 K 是 L 的子代数,选取 z∈K 使得 L0(adx) 在诸 {L0(adx):x∈K} 中极小。若 K⊂L0(adz) ,则 L0(adz)⊂L0(adx),∀x∈K。

证明: 从固定的任意 x∈K 开始,考虑集合

{ad(z+cx):c∈F}⊂EndL.

由于 K0=L0(adz) 是 L 中包含 K 的子代数,此集合稳定 K0 ,故诱导 L/K0 上的同态。 对未定元 T,我们可将 ad(z+cx) 的特征多项式表示为 f(T,c)g(T,c):二者分别为其在 K0、L/K0 上的特征多项式。记 r=dim⁡K0 , n=dim⁡L,则可记

f(T,c)=Tr+f1(c)Tr−1+⋯+fr(c),g(T,c)=Tn−r+g1(c)Tn−r−1+⋯+gn−r(c).

读者将看出,各 fi,gi 均为次数至多为 i 的多项式。

由定义,adz 的特征值 0 只出现在 K0 中,这说明 (考虑特殊情况 c=0)gn−r 并非恒为 0 。因此我们可以找到任意多非 gn−r 零点的值。假设 c1,⋯,cr+1 是两两不同满足该条件的值,而 gn−r(c)≠0当且仅当 0 不是 ad(z+cx) 在商空间上的特征值:这要求 L0(ad(z+cx)) 位于子空间 K0 之中。但后者被选为极小的,我们因此得到 L0(ad(z+cix)),1≤i≤r+1 。因此 ad(z+cix) 在 L0(adz) 上有且仅有特征值 0 ,即 f(T,ci)=Tr。因此每个特征多项式 f1,⋯,fr 有 r+1 个不同零点,从而各多项式恒为 0 。

我们已说明 L0(ad(z+cx))⊃K0,∀c∈F。由于 x 是任意的,我们用 x−z 代替它,并取 c=1 ,即得 L0(adx)⊃L0(adz)。◻

引理:包含 Engel 子代数的子代数的正规化代数

设 K 是 L 的子代数,且包含一个 Engel 子代数,则 NL(K)=K。特别地,Engel 子代数自正规化。

定理: 不妨设 K⊃L0(adx)∋x。则 adx 作用在 NL(K)/K 上的作用无特征值 0 。取 L0(adx) 的一组线性基 v1⋯vr,扩充到 K 的一组线性基 v1⋯vs,再扩充到 L 一组基,则

ad(x)(v1,⋯,vn)=(v1,⋯,vn)(A1A2A3B2B3C3).

这里 $A_1,B_2特征值不为 0。

另一方面,x∈K 给出 [NL(K),x]⊂K,故 adx 在 NL(K)/K 上的作用是平凡的:即C3=0 。以上给出 K=NL(K)。◻

Cartan 子代数

定义:Cartan 子代数

Cartan 子代数(Cartan subalgebra, CSA) 是 L 中等于其正规化子的幂零子代数。

例子

  • 若 L 为特征零域上半单李代数,则极大环面子代数 H 是平凡、因此是幂零的,且 NL(H)=H:因为 L=H+⨁α∈ΦLα,[H,Lα]=Lα,∀α∈Φ。因此任一极大环面子代数是 Cartan 子代数。
  • 对一般的情况,如 F 是有限域时,存在性还未完全确定。

关于其存在性,我们有:

定理:CSA 是极小 Engel 子代数

设 H<L,则 H 是 CSA 当且仅当 H 是极小 Engel 子代数。

证明: 充分性。若 H=L0(adz0) 是 Engel 子代数,由前述引理知 H 自正规化。若 H 是极小 Engel 子代数,则其为最小 Engel 子代数,这导致 H⊂L0(adx),∀x∈H。特别地,对 x∈H, adHx 是幂零的。由 Engel 定理,H 是幂零的。

必要性。相反地,设 H 是 L 的 CSA。若 H 是幂零的,H⊂L0(adx),∀x∈H,我们希望等式至少对某一个 x 成立。否则,取 L0(adz) 为最小 Engel 子代数,则在线性空间 L0(adz)/H 上诱导的 H 的表示中,每一个 x∈H 的作用是一个幂零线性同态。由 3. 可解性和幂零性#Engel 定理及其证明 中的内容,H 零化某些非零的 y+H;或者说,存在某些 y∉H 使得 [H,y]⊂H。这与 H 自正规化矛盾。 ◻

推论:CSA 是极大环面子代数

若 L 半单,F 特征零,则 L 的 CSA 恰为 L 的极大环面子代数。

证明: 我们已说明任意极大环面子代数都是 CSA。相反地,设 H 是 L 的 CSA,注意到 x=xs+xn 是 x 在 L 中的 Jordan 分解,则 L0(adxs)⊂L0(adx):被 y 由 adxs 的某个幂零化则被 adx 的某个幂零化。注意到对半单元 x∈L,L0(adx)=CL(x),因为 adx 可对角化。现在 H 是 L0(adx) 形式的极小 Engel 代数,上面的附注,由极小性,给出 H=L0(adxs)=CL(xs)(因为 H=L0(adx)⊃L0(adxs)=CL(xs))。但 CL(xs) 明显包含 L 的极大环面子代数,因此是一个 CSA,由极小性知 CL(xs)=H,再由半单性知 H 中元素均为半单元。故 H 是极大环面子代数。 ◻

附注

作为证明的一个推论, 我们发现半单李代数的极大环面子代数是 CL(s) 的形式,这里 s 为某半单元。这样的元素 s 称为 正则半单元(regular semisimple)

函子性

引理:CSA 在满同态的像下是 CSA

设 φ:L→L′ 是一个满同态,若 H 是 L 的一个 CSA,则 φ(H) 是 L′ 是 CSA。

证明: 显然 φ(H) 是幂零的。令 A=ker⁡φ,且由 L/A 确定 L′。若 x+A 正规化 H+A,则 x∈NL(H+A)。但 H+A 包含 CSA(因为是一个Engel子代数),故 H+A 自正规化(上面的自正规化引理)。因此 x∈H+A,φ(H) 自正规化。

引理:CSA 在满同态下的原像的 CSA 是整个李代数的 CSA

设 φ:L→L′ 是一个满同态,H′ 是 L′ 的 CSA,K=ϕ−1(H′),则 K 中任意 CSA H 同样是 L 的一个 CSA。

证明: H 幂零。由上一引理, ϕ(H) 是 ϕ(K)=H′ 的CSA,这要求 ϕ(H)=H′(因为 CSA 是极小 Engel)。如果 x∈L 正规化 H,则 ϕ(x) 正规化 ϕ(H),导致 ϕ(x)∈ϕ(H),或 x∈H+ker⁡ϕ。但 ker⁡ϕ⊂K,故 x∈H+K⊂K。因此 x∈NK(H)=H,因为 H 是 K 的一个 CSA。 ◻