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:
设 为环, ,若
- 对加法封闭;‘
- 对任意 ,都有 。
则称 是环 的一个理想,记作 。
对于李代数,也可以定义类似的理想概念。
设 为一李代数,称其一子空间 为 的理想 (Ideal),若对任意 ,有 。同样记作 。
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 ,由于 是一个李子代数,我们立得 .
由于 仍位于子空间中,因此上面的定义中,写成 或 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:
对于李代数 ,其一些理想有
- 本身显然为 的理想;
- 零空间 显然也为 的理想:称为零理想;
- 由李括号定义的中心(center) 是非平凡理想的一个例子。其定义为对中心的一个理解是:如果李括号定义为 代数上交换子,则中心就是与 中所有元素乘法可换的元素的集合;
- 的导出代数(derived algebra) :由理想的定义,显然其为 的一个理想。
- 理想的原像是理想:若 为同态, ,则 是一个理想,因为
- 是子空间,所以 是子空间;
- ,即 ,即 .
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。
- 如果 是 Abel 李代数,则 ;显然反过来也成立;
- 对 (若 ,取 ),研究其乘法表可知 . 练习 1.9 说明四类典型李代数都满足这一条件。
陪集
对理想 ,元素 ,
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。
设 ,定义其加法为
设 ,定义其李括号为
特别地,取 ,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。
若李代数 满足
- 不是 Abel 李代数(其上李括号不平凡);
- 没有除自身及 以外的其它理想。
2 这个要求可不平凡:我们知道 和 是 中的理想,现在它们只能在 与 中取值了。1 表明 ,所以 ;1 表明 ,只能有 。
考虑特殊线性代数 ,这里 。取其一个标准基
验证可知 。设 是 中的一个非零理想,取其一非零元 。若 ,用 作用两次得 ,故 ;若 ,用 作用两次得 ,故 ;若 ,则 ,因此 。无论如何 中都有属于 的元素,由乘法表作用即有这三个元素都在 中,故 。
一维李代数只有 Abel 代数;二维李代数只有 Abel 代数与 两种,后者表明该代数有理想 。
上三维单李代数有且仅有 ; 上三维单李代数有且仅有 及 。
商代数、典范映射与直积
如果 不单(且不为一维),则其至少有一个非零真理想 。与环代数中同样的是,李代数可以与理想作商,得到商代数。
设 。商代数 的定义为:
- 其中的元素为陪集 ,;
- 。
通过 的定义,良定性容易验证。
映射 称为典范映射。
我们还可以定义李代数间的直积:
设 为李代数,定义其直积为
其上运算为:
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。
设 为子代数(或子空间),则 关于 的正规化子 (normalizer) 定义为
正规化子是一个子代数。
正规化子最重要的性质是:若 为子代数,则其为包含 作为其理想的最大子代数。即:
设 为子代数,若子代数 满足 ,则 。
证明 若 ,则对任意 ,。
设 为子集,所有与 交换的元素构成的集合为 中心化子(centralizer):
中心化子也是一个子代数;特别地, 。
特别地,若 ,称 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
设 为同态,其核为
核是一个理想:若 ,则对任意 ,都有
同理,可以定义同态的像
设 为同态,其像为
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。
- (第一同态定理)若 是李代数间的一个同态,则另一方面,若 是 中的任一理想,则存在唯一的同态 使得下面的三角形图交换。这里 是典范映射。
- (第三同态定理)如果 ,,则 是 的一个理想,且
- (第二同态定理)如果 ,则 。
\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。
若 是 到 的一个同态,则称 是一个表示。
例如,先前介绍的伴随表示 ,就是一个表示。
另一个表示的例子是:若 是一个线性李代数,则嵌入 也是一个表示。
作为本节最后,我们用同态观点来研究 的性质。注意到
因此 。
特别地,如果 是单的,则 ,因此 , 是一个单同态。因此,同态 的同态定理 给出
如果 是单的,则其同构于 ,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:。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 是 的一个可逆线性同态,且 ,则映射 就是一个自同构。
考虑特殊情况:。假设 满足 是幂零的,则对其而言,指数 是可定义的,因为其有且仅有有限项。我们可以证明 是 的一个自同构。
更一般地,设 是 的任一个幂零导子(注意 也是一个导子),则 也是一个自同构。这是因为
的逆是
幂零元与内自同构
如果 是幂零的,则称由形如 生成的同构子群为内自同构群(inner automorphism group),记作 ,这是一个正规子群。
最后,我们说明一个重要的性质
这里 是幂零的, 为任一线性李代数,。
为证明这一结论,考虑同态
则 。乘积法则说明
再由此即可推出上述结论。