5. Killing Form

半单性判别准则

Killing Form

定义:Killing form

在 L 上定义对称双线性形:

κ(x,y)=tr(adxady).

称为Killing form.

容易验证,Killing form 具有“结合性”:当里面是李括号的情况下.

性质:Killing form 的“结合性”

κ([x,y],z)=κ(x,[y,z]) .

证明.

tr(ad[x,y]adz)=tr([adx,ady]adz)=tr(adx[ady,adz])=tr(adxad[y,z])=κ(x,[y,z]).

这里用到了上一章给出的公式 . ◻

以下是一个很好用的引理.

引理:Killing form 变元限制在理想上等价于理想的 Killing form

I⊲L,设 L 上 Killing form 是 κ,I 作为李子代数的 Killing form 是 κI,则 κI=κ|I×I .
这里 κ|I×I 指 κ(x,y):x∈I,y∈I .

证明: 我们用到线性代数中的一个引理 :

线性代数引理:打到子空间的线性同态的迹

设 V 为有限维线性空间, ϕ∈EndV ,则 trϕ=tr(ϕ|imϕ) .特别地,对任意 imϕ<U<V,都有 trϕ=tr(ϕ|U)=tr(ϕ|imϕ) .

线性代数引理的证明. 取 W:=imϕ 的一组基 {wm},扩展为 V 的一组基 {vn},设扩充部分为 v1,⋯,vn−m .在基 {vn} 下,设 ϕ 的矩阵为 A,作分块 A=(BCDE),B∈Rm×m .则

(w′O)=(BCDE)(wv)=(Bw+CvDw+Ev).

令 (w,v)T 取遍各个基,说明只能有 D=E=O . 从而 trϕ=trA=trB=tr(ϕ|imϕ) . ◻

回到原题. 对 x,y∈I,(adx)(ady) 是 L 的一个同态,从而是线性同态;由理想的性质,im(adx)(ady)⊂I .由引理可得

κ(x,y)|I×I=tr(adxady)=tr((adxady)|I)=tr((adIx)(adIy))=κI(x,y).

◻

Killing form 的根(radical)与非退化性(nondegenration)

一般来说,对 L 上对称双线性形 β(x,y),其根为一个子空间:

radβ={x∈L:β(x,y)=0,∀y∈L}.

若 radβ=0,就称 β 非退化(nondegenrate).

然而,由于 Killing form 是结合的,其根比子空间要更好一点:

性质:Killing form 的根是理想

radκ⊲L .

由此,测试 Killing form 是否非退化的一个比较好用的方法就是:

定理:Killing form 非退化当且仅当其矩阵可逆

设 L 为有限维李代数,取 L 的一组基 x1,⋯,xn ,则 Killing form κ 非退化当且仅当 n×n 矩阵

M=(κ(xi,xj))

的特征值不为 0 .

例子:证明 sl2(F) (charF≠2)的 Killing form 非退化

取 sl2(F) 的标准基 x,h,y,则

adh=(20−2),adx=(0−2010),ady=(0−1020).

从而

κ(x,x)⊂tr(n3(F),n3(F)),κ(x,x)=0,κ(x,h)=tr(adxadh)=tr(0−2010)(20−2)=tr(0???0???0)=0,κ(x,y)=tr(adxady)=tr(0−2010)(0−10020)=tr(2???2???0)=4,κ(h,h)=tr(404)=8,κ(h,y)=tr(adhady)=tr(20−2)(0−1020)=tr(0???0???0)=0,κ(y,y)⊂tr(n3(F)T,n3(F)T),κ(y,y)=0.

再由 κ 是对称双线性函数,于是 κ 的矩阵

M=(484)

其特征值为 detM=−128,故 κ 非退化.

Killing form 的根与其李代数的根、Abel 理想有密切关系.

引理 1:Killing form 的根位于李代数的根中

设 S 为 κ 的根,则 S⊂radL .

证明. 令 S 为 κ 的根,由定义知 tr(adxady)=0 对一切 x∈S,y∈L (特别地:y∈[S,S])成立,由 Cartan 准则的推论 知 S 可解.但 S 是 L 的一个理想,故 S⊂radL . ◻

引理 2:李代数的 Abel 理想位于其 Killing form 的根中

L 的每个 Abel 理想都在其 Killing form 的根 S 中.

证明. 设 I⊲L 为 Abel 理想.任取 x∈I,y∈L,则映射

adxady:L→L→I,(adxady)2:L→[I,I]=0.

因此 adxady 是幂零的,从而 0=tr(adxady)=κ(x,y) .由 x∈I 的任意性, I⊂S . ◻

附注:有关引理 1 的补充说明

引理 1 中应用 Cartan 准则的推论,我们得出 Killing form 的根 S⊂radL .然而需要指出,存在 radL≠S 的情形:考察以 x,y,z 为基的代数,其上李括号定义为

[x,y]=z, [x,z]=y, [y,z]=0.

Killing form 意义下的理想正交补

本节非原书内容,属于补充。

对于一个理想 I⊲L,可以定义其关于 Killing form 的正交补:

定义:Killing form 意义下的正交补

设 I⊲L,定义 $$I^\bot:={x\in L:\kappa(x,y)=0,\forall y\in I}.$$
为其正交补:由于 κ 是对称双线性型,左正交补就是右正交补。

例如,κ 的根 S 是 L 的正交补。

理想的正交补是一个理想:

定理:理想的正交补是一个理想

若 I⊲L,则 I⊥⊲L。

证明: 对任意 x∈I⊥,y∈L,我们只需证 [x,y]∈I⊥。对任意 z∈I,则

κ(z,[x,y])=κ([z,x],y)=κ(0,y)=0.

这里第一个等号是 Killing form 的结合性。因此 I⊥⊲L,证毕。◻

如果 L 是半单的,由 Cartan 准则,我们有一个非常好的引理:

引理:半单李代数分解为理想与理想正交补的直和

设 L 半单, I⊲L,则 I∩I⊥=0,且 L=I⊕I⊥。此外,I 的理想均为 L 的理想。

证明: I,I⊥ 为理想,故 I∩I⊥ 也是一个理想。对 I∩I⊥ 应用 Cartan 准则:

因此,I 是 L 的一个非退化子空间。由于 κ 是双线性型,线性代数的理论给出 L=I⊕I⊥。

最后,对任意 I′⊲I,我们证明 I′⊲L。而这是因为

[I′,I]⊂I,[I′,I⊥]⊂[I,I⊥]=0.

证毕。

半单性与 Killing form

回忆:李代数半单当且仅当其无 Abel 理想 (看这里的“另一个刻画”) .用 Killing form 的语言,这等价于

定理:半单性等价于 Killing form 非退化

设 L 为李代数,则 L 半单当且仅当其 Killing form 非退化.

定理的证明. 先设 L 半单.由引理1 知 S⊂radL=0,从而 κ 非退化.

再设 S=0 .由引理2 知 L 的全体 Abel 理想 I⊂S=0,故 L 无非零 Abel 理想,从而 L 半单. ◻

附注:对于 charF=p 的情况

如果 F 的特征非零,则当 Killing form 非退化时 L 仍为半单的;但 L 半单不再能推出其 Killing form 非退化.
一个例子是:当 charF=3 时, sl3(F)/Z(sl3(F)) 半单,但其 Killing form 退化.

半单李代数是单理想的直和

定义:李代数是理想的直和

称李代数 L 是理想 I1,⋯,It 的直和,如果 L=I1+⋯+In (作为子空间直和)。

这一条件要求 [Ii,Ij]⊂Ii∩Ij=0,若 i≠j ——以此保证 L 可以被视为由在李代数 Ii 上通过定义直和诱导的李括号得到。我们写为

L=I1⊕I2⊕⋯⊕It=⨁i=1tIi.
定理:半单李代数存在单理想直和分解

设 L 半单,则存在单理想 L1,⋯,Lt 使得

L=⨁i=1tLi,

另一方面,L 的任一单理想即为全体 Li 中的一个。此外, Li 的 Killing form κi 是李代数的 Killing form κ 在 Li×Li 上的限制映射。

证明: 我们通过对 dim⁡L 归纳来将 L 分解为单李代数的直和。

如果 L 没有非零真理想,则 L 单,分解已完成;否则设 L1 是最小的非零理想,由引理得 L=L1⊕L1⊥,特别地,由于 L1 的任一理想都是 L 的理想,因此 L1 也是半单理想(再由最小性知为单理想),且 L1⊥ 也是半单理想。由归纳法,L1⊥ 可分解为单理想的直和,这样的理想也是 L 的理想。可分解性证毕。

最后,我们说明这些单理想是 L 中仅有的单理想。如果 I 是 L 的一个单理想,则 [I,L]⊲I,且由 Z(L)=0 (半单李代数没有可解理想;但中心是可解理想),[I,L] 是非零的,因此必有 [I,L]=I。另一方面由

[I,L]=⨁i=1t[I,Lt]

可知这一列中除了其中一个 [I,Li],其余均为 0。不妨设 [I,Li]=I,则 I⊂Li 且 I=Li,由 Li 的单性。

最后,最后一个断言由先前的定理得到。◻

推论

如果 L 半单,则 L=[L,L],L 的任一理想及同态像均是半单的。此外, L 的任一理想均为 L 的某些特定的单理想的直和。

证明: 作直和分解 L=⨁i=1tLi,则

[L,L]=[L=⨁i=1tLi,L=⨁i=1tLi]=⨁i=1tLi=Li,

L 的理想 I 半单是因为 radI⊂radL=0,同态的像半单是因为 radimφ⊂φ(radL)=0。

最后,由理想 I 半单,其可表示为直和 I=⨁i=1sIi,这里 Ii 为单理想。因此 Ii 也为 L 的单理想,故 Ii=Lji,∀i∃ji。◻

内导子

Killing form 的非退化性有一个更深远的重要结果。在开始前,我们回忆前面说过的性质:adL⊲DerL(见内导子是导子空间的理想)。对于半单李代数,性质会更好:

定理:半单李代数的导子均为内导子

若 L 半单,则 adL=DerL。

证明: 由 L 半单,故 Z(L)=0,因此 ad:L→adL 是同构。因此 adL 也是半单的,从而 M=adL 的 Killing form 是非退化的。

若 D=DerL,由 M⊲D 知 [D,M]⊂M,M 半单且 κM 是 κD 在 M×M 上的限制映射。

令 I=M⊥ 是 κD 下在 D 中相对于 M 的正交补,则 I∩M 是 M 的理想。由 M 半单,引理给出 I∩M=0 且 D=I⊥M。 此外,由于 I,M 都是 D 中的理想,正交补的定义给出 [I,M]=0。

现在考虑 D 中的元素 δ。如果 δ∈I,则 ad(δx)=[δ,adx]∈[I,M]=0, ∀x∈L。但 ad 是同构,这说明只能有 δ(x)=0,∀x, 因此 δ=0。故 DerL=M=adL,证毕!

抽象 Jordan 分解

由半单李代数的导子就是内导子,我们可以对半单李代数引入所谓抽象 Jordan 分解——补齐对一般李代数没有这样的好用工具的缺憾。

回忆若 V 是一个有限维 F− 代数,则 DerV 包含其所有半单及幂零部分;现在考察 DerL,由半单性知其就是 adL,且 L→adL 是双射,因此每个 x∈L 都决定了唯一的一组 s,n∈L 使 adx=ads+adn ——这是 adx 在线性李代数 adL 中一个普通的 Jordan 分解。由双射,这就说明 x=s+n,[s,n]=0 且 s 是伴随表示半单的(ad-semisimple),且 n 伴随表示幂零。我们记 s=xs,n=xn,通过滥用语言来称其为 x 的半单部分及幂零部分。

定义:抽象 Jordan 分解(abstract Jordan decomposition)

称 x=xs+xn 为 x 的抽象 Jordan 分解。

在第 6 章中,我们将说明若 L 是线性李代数,则抽象 Jordan 分解就是 Jordan 分解。但在此刻,我们先对 L=sl(V) 来说明这一点:

例子:sl(V) 的抽象 Jordan 分解

对 x∈EndV,记其普通的 Jordan 分解为 x=xs+xn。因为 xn 是幂零同态,其迹为 0,故 xn∈L。这导致 xs 也是迹零的,所以 xs∈L。
此外,由于 adgl(V)xs 是半单的,因此 adLxs 更加是半单的;同样 adLxn 是幂零的,且 [adLxs,adLxn]=adL[xs,xn]=0,由抽象 Jordan 分解的唯一性知如上分解即为 x 的抽象 Jordan 分解。