Cho g là một đại số Lie trên K. Đối với mọi đại số kết hợp có phần tử đơn vị L trên K, một ánh xạ α của g vào L là một ánh xạ tuyến tính trên Kσ của g vào L sao cho
σ([x,y])=σ(x)σ(y)−σ(y)σ(x)(x,y trong g)
(nói cách khác là một đồng cấu của g vào đại số Lie liên kết với L).
Nếu L′ là một đại số kết hợp khác có phần tử đơn vị trên K và τ là một đồng cấu của L vào L′ biến 1 thành 1, thì τ∘σ là một ánh xạ α của g vào L′. Ta sẽ tìm một đại số kết hợp có phần tử đơn vị và một ánh xạ α của g vào đại số này có tính phổ quát (Lý thuyết tập hợp, Chương IV, § 3, no. 1).
Định nghĩa 1
Cho g là một đại số Lie trên K, T là đại số tenxơ của K-môđun g và J là iđêan hai phía của T sinh bởi các tenxơ x⊗y−y⊗x−[x,y] trong đó x∈g,y∈g. Đại số kết hợp U=T/J được gọi là đại số bao của g. Hạn chế vào g của ánh xạ chính tắc của T lên U được gọi là ánh xạ chính tắc của g vào U.
Cho T+ là iđêan hai phía của T gồm các tenxơ mà thành phần có cấp 0 là không. Cho T0=K.1 là tập hợp các phần tử của T có cấp 0. Cho U+ và U0 là các ảnh chính tắc của T+ và T0 trong U. Vì J⊂T+, phân tích thành tổng trực tiếp T=T0+T+ kéo theo một phân tích thành tổng trực tiếp U=U0+U+. Đại số U do đó có một phần tử đơn vị phân biệt với 0 và U0=K.1. Với mọi x∈U, thành phần của x trong U0 được gọi là số hạng hằng của x. Các phần tử có số hạng hằng bằng không tạo thành một iđêan hai phía của U, cụ thể là iđêan hai phía U+ sinh bởi ảnh chính tắc của g trong U.
Đại số kết hợp U được sinh bởi 1 và ảnh chính tắc của g trong U.
Nếu x∈g và y∈g, x⊗y−y⊗x và [x,y] là đồng dư trong T theo môđun J; do đó, nếu σ0 ký hiệu ánh xạ chính tắc của g vào U,
σ0(x)σ0(y)−σ0(y)σ0(x)=σ0([x,y])
trong U. Nói cách khác, σ0 là một ánh xạ α của g vào U.
Mệnh đề 1
Cho σ là một ánh xạ α của g vào đại số kết hợp L có phần tử đơn vị. Tồn tại một và chỉ một đồng cấu τ của U vào L, biến 1 thành 1, sao cho σ=τ∘σ0, trong đó σ0 ký hiệu ánh xạ chính tắc của g vào U.
Cho τ′ là đồng cấu duy nhất của T vào L mở rộng σ và biến 1 thành 1. Khi đó, với x,y trong g,
τ′(x⊗y−y⊗x−[x,y])=σ(x)σ(y)−σ(y)σ(x)−σ([x,x])=0;
do đó τ′ bằng không trên J và xác định, khi chuyển qua thương, một đồng cấu τ của U vào L, ánh xạ 1 vào 1, sao cho σ=τ∘σ0. Tính duy nhất của τ là ngay lập tức vì σ0(g) và 1 sinh đại số U.
Cho g′ là một đại số Lie khác trên K, U′ là đại số bao của nó và σ0′ là ánh xạ chính tắc của g′ vào U′. Cho ϕ là một đồng cấu của g vào g′. Khi đó σ0′∘ϕ là một ánh xạ α của g vào U′; do đó tồn tại một và chỉ một đồng cấu ϕ~ của U vào U′ ánh xạ 1 vào 1 và sao cho biểu đồ
g↓σ0Uϕϕ~g′↓σ0′U′
là giao hoán. Đồng cấu này ánh xạ các phần tử của U có số hạng hằng bằng không vào các phần tử của U′ có số hạng hằng bằng không. Nếu g′′ là một đại số Lie khác trên K và ϕ′ là một đồng cấu của g′ vào g′′, thì (ϕ′∘ϕ)∼=ϕ~′∘ϕ~.
2. Đại số bao của một tích của các đại số Lie
Cho g1,g2 là hai đại số Lie trên K, Ui là đại số bao của gi và σi là ánh xạ chính tắc của gi vào Ui (i=1,2). Cho g=g1×g2,U là đại số bao của nó và σ là ánh xạ chính tắc của g vào U. Các phép nhúng chính tắc của g1 và g2 vào g xác định các đồng cấu chính tắc của U1 và U2 vào U, các ảnh của chúng giao hoán và do đó một đồng cấu ϕ của đại số U1⊗KU2 vào đại số U, ánh xạ 1 vào 1.
Mệnh đề 2
Đồng cấu ϕ là một đẳng cấu đại số
Ánh xạ σ′:(x1,x2)↦σ1(x1)⊗1+1⊗σ2(x2) (x1∈g1,x2∈g2) là một ánh xạ α của g vào U1⊗KU2 và do đó tồn tại (no. 1, Mệnh đề 1) một đồng cấu duy nhất τ của U vào U1⊗KU2 biến 1 thành 1, sao cho:
(1)
σ′=τ∘σ.
Bây giờ ϕ∘τ∘σ=ϕ∘σ′=σ và τ∘ϕ∘σ′=τ∘σ=σ′, do đó ϕ∘τ và τ∘ϕ lần lượt là các ánh xạ đồng nhất của U và U1⊗KU2. Do đó có mệnh đề.
U1⊗KU2 được đồng nhất với U qua đẳng cấu ϕ. Khi đó ánh xạ chính tắc của g vào U được đồng nhất theo (1) với ánh xạ:
(x1,x2)↦σ1(x1)⊗1+1⊗σ2(x2).
Tương tự, nếu g1,…,gn là các đại số Lie trên K với các đại số bao U1,…,Un, thì đại số bao U của g1×⋯×gn được đồng nhất một cách chính tắc với U1⊗K⋯⊗KUn và ánh xạ chính tắc của g1×⋯×gn vào U được đồng nhất với ánh xạ:
(x1,…,xn)↦σ1(x1)⊗1⊗⋯⊗1+⋯+1⊗⋯⊗1⊗σn(xn)
(σi ký hiệu ánh xạ chính tắc của gi vào Ui).
3. Đại số bao của một đại số con Lie
Cho g là một đại số Lie trên K, h là một đại số con của g và σ,σ′ là các ánh xạ chính tắc của g,h vào các đại số bao của chúng U,V. Khi đó đơn ánh chính tắc i của h vào g xác định một đồng cấu i~, được gọi là chính tắc, của V vào U sao cho σ∘i=i~∘σ′. Đại số i~(V) được sinh bởi 1 và σ(h). Ta sẽ thấy (no. 7, Hệ quả của Định lý 5) rằng i~ là đơn ánh trong những trường hợp quan trọng.
Nếu h là một iđêan của g, iđêan trái của U sinh bởi σ(h) trùng với iđêan phải sinh bởi σ(h), nói cách khác nó là một iđêan hai phía R. Điều này suy ra vì, với x∈h và x′∈g,
σ(x)σ(x′)=σ(x′)σ(x)+σ([x,x′])
và [x,x′]∈h.
Mệnh đề 3
Cho h là một iđêan của g, p là đồng cấu chính tắc của g lên g/h và W là đại số bao của g/h. Đồng cấu:*
p~:U→W
*được xác định một cách chính tắc bởi p là toàn ánh và hạt nhân của nó là iđêan R của U sinh bởi σ(h).
Cho σ′′ là ánh xạ chính tắc của g/h vào W. Biểu đồ giao hoán:
h↓σ′Viιg↓σU
g↓σUpp~g/h↓σ′′W
chứng minh rằng p~ bằng không trên σ(h) và do đó trên R. Gọi ψ là đồng cấu chính tắc của U lên U/R. Có một đồng cấu ϕ của U/R
g↓σUpψg/h↓σ′′U/R
U/RU/Rϕ′↑θ↑ϕϕWW
vào W sao cho p~=ϕ∘ψ. Ánh xạ ψ∘σ của g vào U/R là một ánh xạ α và bằng không trên h, do đó xác định một ánh xạ αθ của g/h vào U/R sao cho θ∘p=ψ∘σ. Khi đó ϕ∘θ∘p=ϕ∘ψ∘σ=σ′′∘p. Suy ra ϕ∘θ=σ′′. Có một và chỉ một đồng cấu ϕ′ của W vào U/R (no. 1, Mệnh đề 1) biến 1 thành 1 và sao cho θ=ϕ′∘σ′′. Khi đó ϕ′∘ϕ∘θ=ϕ′∘σ′′=θ và ϕ∘ϕ′∘σ′′=ϕ∘θ=σ′′, và do đó ϕ′∘ϕ và ϕ∘ϕ′ lần lượt là các ánh xạ đồng nhất của U/R và W. Điều này hoàn tất chứng minh.
U/R được đồng nhất với W dưới đẳng cấu ϕ. Khi đó ánh xạ chính tắc σ′′ của g/h vào W được đồng nhất với θ, tức là với ánh xạ của g/h vào U/R dẫn xuất từ σ bằng cách lấy thương.
4. Đại số bao của đại số Lie đối
Cho g là một đại số Lie trên K, g0 là đại số Lie đối và σ và σ0 là các ánh xạ chính tắc của g và g0 vào các đại số bao quanh của chúng U và V. Khi đó σ là một ánh xạ α của g0 vào đại số kết hợp U0 đối với đại số kết hợp U. Do đó tồn tại duy nhất một đồng cấu ϕ từ V vào U0 biến 1 thành 1 và sao cho σ=ϕ∘σ0.
Mệnh đề 4
Đồng cấu ϕ là một đẳng cấu từ V lên U0.
Tồn tại một đồng cấu ϕ′ từ U vào V0 biến 1 thành 1 và sao cho σ0=ϕ′∘σ. Có thể xem ϕ′ như một đồng cấu từ U0 vào V. Khi đó σ0=ϕ′∘ϕ∘σ0 và σ=ϕ∘ϕ′∘σ và do đó ϕ′∘ϕ và ϕ∘ϕ′ là các ánh xạ đồng nhất của V và U. Do đó có mệnh đề.
V được đồng nhất với U0 theo đẳng cấu ϕ. Khi đó σ0 được đồng nhất với σ.
Với sự đồng nhất này, đẳng cấu θ:x↦−x của g lên g0 xác định một đẳng cấu θ~ của U lên V=U0. Đẳng cấu này có thể được xem như một phản tự đẳng cấu của U. Nó được gọi là phản tự đẳng cấu chính của U. Nếu x1,…,xn thuộc g, thì:
Cho V là một K-môđun. V có thể được xem theo một cách duy nhất như một đại số Lie giao hoán. Đại số bao quanh của V khi đó có thể thu được như sau: cho T là đại số tenxơ của V; cho I là iđêan hai phía của T sinh bởi các tenxơ x⊗y−y⊗x (x∈V,y∈V); khi đó lập đại số S=T/I.
Nhắc lại (Đại số, Chương III, § 6) rằng S được gọi là đại số đối xứng của V, ta tóm tắt ngắn gọn các tính chất cần dùng trong chương này, mà các chứng minh của chúng là ngay lập tức. Cho Tn là tập hợp các tenxơ thuần nhất cấp n trong T. Khi đó I=(I∩T2)+(I∩T3)+⋯ và do đó S là tổng trực tiếp của các ảnh chính tắc Sn của các Tn. Các phần tử của Sn được gọi là thuần nhất bậc n. S0=K.1,S1 được đồng nhất với V và SnSp⊂Sn+p. Đại số S được sinh bởi 1 và S1=V. Rõ ràng hai phần tử bất kỳ của S1 đều hoán vị được và do đó S là giao hoán. Nếu V là một K-môđun tự do với cơ sở (xλ)λ∈Λ, đồng cấu chính tắc f của đại số đa thức K[Xλ]λ∈Λ lên S biến 1 thành 1 và Xλ thành xλ với mọi λ∈Λ là một đẳng cấu: vì theo tính chất phổ quát của S (no. 1, Mệnh đề 1) tồn tại một đồng cấu g của S vào K[Xλ]λ∈Λ biến 1 thành 1 và xλ thành Xλ với mọi λ∈Λ và f và g là các đồng cấu nghịch đảo của nhau.
Cho S′n⊂Tn là tập hợp các tenxơ đối xứng thuần nhất cấp n (Đại số, Chương III, § 5, no. 1, Định nghĩa 2). Nếu K là một trường có đặc số 0, thì S′n và I∩Tn bù nhau trong Tn. Thật vậy, lấy (xλ)λ∈Λ là một cơ sở của V. Ta trang bị cho Λ một thứ tự toàn phần (Lý thuyết tập hợp, Chương III, § 2, no. 3, Định lý 1). Gọi Λn là tập hợp các dãy tăng gồm n phần tử của Λ. Với M=(λ1,…,λn)∈Λn, đặt
yM=n!1σ∈Sn∑xλσ(n)⊗⋯⊗xλσ(n).
Các yM với M∈Λn lập thành một hệ sinh của K-không gian vectơ S′n. Mặt khác, các ảnh chính tắc của chúng trong Sn cấu thành, theo đoạn trên, một cơ sở của Sn. Do đó (yM)M∈Λn là một cơ sở của một không gian con bù của I∩Tn trong Tn (Đại số, Chương II, § 1, no. 6, Mệnh đề 4), điều này chứng minh mệnh đề của ta.
Vì thế, khi K là một trường có đặc số 0, hạn chế lên S′n của ánh xạ chính tắc Tn→Sn là một đẳng cấu từ không gian S′n lên không gian Sn và do đó có một đẳng cấu nghịch đảo. Các đẳng cấu nghịch đảo thu được như vậy với mỗi n xác định một đẳng cấu chính tắc từ không gian S lên không gian
S′=n≥0∑S′n caˊc tenxơđoˆˊi xứng.
6. Phân bậc của đại số bao
Cho g là một đại số Lie trên K và T là đại số tenxơ của K-môđun g. Gọi Tn là môđun con của T gồm các tenxơ thuần nhất cấp n và Tn=∑i≤nTi. Khi đó Tn⊂Tn+1, T0=K.1, T−1={0} và TnTp⊂Tn+p.
Gọi Un là ảnh chính tắc của Tn trong đại số bao U của g. Khi đó Un⊂Un+1, U0=K.1, U−1={0} và UnUp⊂Un+p; vì thế U có thể được mô tả như một đại số được lọc bởi các Un (Đại số giao hoán, Chương III, § 2, no. 1); các phần tử của Un sẽ được gọi là có bậc lọc≤n.
Cho Gn là K-môđun Un/Un−1 và cho G là K-môđun là tổng trực tiếp của các Gn. Phép nhân trên U xác định, khi lấy các thương, một ánh xạ song tuyến tính từ Gn×Gm vào Gn+m và do đó một ánh xạ song tuyến tính từ G×G vào G, ánh xạ này kết hợp. Vì vậy G được trang bị một cấu trúc đại số K kết hợp. Khi đó GnGm⊂Gn+m. Các phần tử của Gn được gọi là có bậcn. Đại số phân bậc thu được như vậy chính là đại số phân bậc liên kết với đại số lọc U (Đại số giao hoán, Chương III, § 2, no. 3).
Cho ϕn là hợp thành của các ánh xạ tuyến tính K chính tắc
Tn→Un→Gn.
Vì Tn là bổ sung cho Tn−1 trong Tn, ϕn là toàn ánh. Các ϕn xác định một ánh xạ tuyến tính Kϕ từ ∑nTn=T lên ∑nGn=G.
Mệnh đề 5
Ánh xạ ϕ từ T lên G là một đồng cấu đại số biến 1 thành 1 và bằng không trên iđêan hai phía sinh bởi các tenxơ x⊗y−y⊗x (x∈g,y∈g).
Nếu t∈Tn và t′∈Tp, thì ϕ(t)ϕ(t′)=ϕ(tt′) theo định nghĩa của phép nhân trên G. Do đó ϕ là một đồng cấu đại số và rõ ràng ϕ(1)=1. Nếu x,y thuộc g, thì x⊗y−y⊗x∈T2 và ảnh chính tắc của phần tử này trong U2 bằng ảnh của [x,y] và do đó thuộc U1. Vì vậy ϕ(x⊗y−y⊗x)=0, điều này chứng minh mệnh đề.
Cho S là đại số đối xứng của K-môđun g và τ là đồng cấu chính tắc từ T lên S. Mệnh đề 5 chứng minh rằng tồn tại một đồng cấu duy nhất ω, được gọi là chính tắc, từ đại số S lên đại số G, biến 1 thành 1, sao cho ϕ=ω∘τ. Ta có ω(Sn)=ϕ(Tn)=Gn. Gọi τn là hạn chế của τ lên Tn, ωn là hạn chế của ω lên Sn, ψn là ánh xạ chính tắc từ Tn vào Un và θn là ánh xạ chính tắc từ Un lên Gn. Định nghĩa của ωn chứng minh rằng biểu đồ sau đây là giao hoán:
Tnψn↘UnSnθn↙ωnGn
Mệnh đề 6
Nếu K là Noether và g là một môđun hữu hạn sinh, thì vành U là Noether phải và trái.
S là một đại số sinh hữu hạn trên K và do đó là một vành Noether (Đại số giao hoán, Chương III, § 2, no. 10, Hệ quả 3 của Định lý 2). Vì thế G, đẳng cấu với một vành thương của S, là Noether. Vì thế U là Noether phải và trái (Đại số giao hoán, Chương III, § 2, no. 10, Nhận xét 2).
Hệ quả
Giả sử rằng K là một trường và g là hữu hạn chiều trên K. Gọi I₁, ..., Iₘ là các iđêan phải (tương ứng là trái) có đối chiều hữu hạn trong U. Khi đó iđêan tích I₁I₂...Iₘ có đối chiều hữu hạn.
Bằng quy nạp theo m, chỉ cần xét trường hợp, chẳng hạn, của hai iđêan phải. U-môđun phải I₁ được sinh bởi một số hữu hạn phần tử u₁, ..., uₚ (Mệnh đề 6). Gọi v₁, ..., vₐ là các phần tử của U sao cho các lớp của chúng theo môđun I₂ sinh không gian vectơ U/I₂. Khi đó các ảnh chính tắc trong I₁/I₁I₂ của các uᵢvⱼ sinh không gian vectơ I₁/I₁I₂, do đó không gian này là hữu hạn chiều. Vì thế dim_K(U/I₁I₂) = dim_K(U/I₁) + dim_K(I₁/I₁I₂) < +∞.
Nhận xét
Cho g' là một đại số Lie khác trên vành K, U' là đại số bao của nó, U'_n là tập các phần tử của U' có cấp lọc ≤n và U^n (tương ứng là U'^n) là tập các ảnh chính tắc trong U (tương ứng là U') của các tenxơ đối xứng thuần nhất của g (tương ứng là g') bậc n. Gọi η là một đồng cấu từ g vào g' và η~ là đồng cấu tương ứng từ U vào U'. Khi đó
η~(Un)⊂Un′,η~(Un)⊂U′n.
Đặc biệt, phản tự đẳng cấu chính của U để ổn định U_n và U^n. Ánh xạ K-tuyến tính từ Tn lên chính nó biến
x1⊗x2⊗⋯⊗xnthaˋnhxn⊗xn−1⊗⋯⊗x1
với mọi x1,...,xn trong g là một toán tử đối xứng và do đó để bất động các tenxơ đối xứng thuần nhất bậc n. Vì thế phản tự đẳng cấu chính của U cảm sinh trên mỗi U^n phép vị tự với tỉ số (−1)n.
7. Định lý poincaré–birkhoff–witt
Định lý 1
Cho g là một đại số Lie trên K, U là đại số bao của nó, G là đại số phân bậc liên kết với đại số lọc U và S là đại số đối xứng của K-môđun g. Nếu g là một K-môđun tự do, thì đồng cấu chính tắc ω:S→G là một đẳng cấu.
Gọi (xλ)λ∈Λ là một cơ sở của K-môđun g; ta trang bị cho Λ một thứ tự toàn phần (Lý thuyết tập hợp, Chương III, § 2, no. 3, Định lý 1). Gọi P là đại số đa thức K[zλ]λ∈Λ theo các ẩn zλ tương ứng một-một với các xλ. Với mọi dãy M=(λ1,λ2,...,λn) gồm các phần tử của Λ, gọi zM là đơn thức zλ1zλ2...zλn và xM là tenxơ xλ1⊗xλ2⊗⋯⊗xλn.
Các zM, với M tăng, tạo thành một cơ sở của K-môđun P (ta quy ước rằng ∅ là một dãy tăng và z∅=1). Gọi Pp là môđun con các đa thức bậc ≤p. Trước hết ta sẽ chứng minh một số bổ đề. (Để viết gọn, ta viết λ≤M nếu λ≤μ với mọi chỉ số μ của dãy M.)
Bổ đề 1
Với mọi số nguyên p≥0, tồn tại một đồng cấu duy nhất fp từ K-môđun g⊗KPp vào K-môđun P thỏa mãn các điều kiện sau:*
với zN∈Pp−1. (Các hạng xuất hiện trong (Cp) là có nghĩa theo (B_p).)
Hơn nữa, hạn chế của fp lên g⊗Pp−1 trùng với fp−1.
Khẳng định cuối cùng suy ra từ các khẳng định khác vì hạn chế của fp trên g⊗KPp−1 thỏa mãn các điều kiện (A_{p-1}), (B_{p-1}) và (C_{p-1}). Ta sẽ chứng minh sự tồn tại và tính duy nhất của fp bằng quy nạp theo p. Với p=0, điều kiện (A_0) cho f0(xλ⊗1)=zλ và các điều kiện (B_0) và (C_0) khi đó hiển nhiên được thỏa mãn. Giả sử bây giờ rằng sự tồn tại và tính duy nhất của fp−1 đã được chứng minh. Ta chứng minh rằng fp−1 có một mở rộng duy nhất fp lên g⊗KPp thỏa mãn các điều kiện (A_p), (B_p) và (C_p).
Ta phải định nghĩa fp(xλ⊗zM) đối với một dãy tăng M gồm p phần tử.
Nếu λ≤M, giá trị này được cho bởi điều kiện (A_p). Ngược lại, M có thể được viết duy nhất dưới dạng (μ,N), trong đó μ<λ,μ≤N. Khi đó
zM=zμzN=fp−1(xμ⊗zN)
theo (A_{p-1}), do đó vế trái của (C_p) là fp(xλ⊗zM). Bây giờ vế phải của (C_p) đã được định nghĩa: vì (B_{p-1}) cho phép ta viết:
fp(xλ⊗zN)=fp−1(xλ⊗zN)=zλzN+w
trong đó w∈Pp−1; do đó vế phải của (C_p) trở thành:
zλzμzN+fp−1(xμ⊗w)+fp−1([xλ,xμ]⊗zN).
Như vậy fp được xác định duy nhất và hiển nhiên thỏa mãn các điều kiện (A_p) và (B_p). Điều kiện (C_p) được thỏa mãn nếu μ<λ,μ≤N. Vì [xμ,xλ]=−[xλ,xμ], điều kiện (C_p) cũng được thỏa mãn đối với λ<μ,λ≤N. Vì (C_p) được thỏa mãn hiển nhiên đối với λ=μ, nên (C_p) do đó được thỏa mãn nếu λ≤N hoặc μ≤N. Nếu không có bất kỳ bất đẳng thức nào trong các bất đẳng thức này đúng, N=(ν,Q), trong đó ν≤Q,ν<λ,ν<μ. Từ nay viết tắt fp(x⊗z)=xz với x∈g và z∈Pp, ta có theo giả thiết quy nạp:
xμzN=xμ(xνzQ)=xν(xμzQ)+[xμ,xν]zQ.
Bây giờ zμzQ có dạng zμzQ+w, trong đó w∈Pp−2. (C_p) có thể được áp dụng cho xλ(xν(zμzQ)), vì ν≤Q và ν<μ, và cho xλ(xνw) theo giả thiết quy nạp, và do đó cho xλ(xν(xμzQ)). Suy ra:
(1) σ(xλ)zM=zλzM đối với λ≤M; (2) σ(xλ)zM≡zλzM (mod. Pp) nếu M có p phần tử.
Theo Bổ đề 1 tồn tại một đồng cấu f của K-môđun g⊗KPp vào P thỏa mãn, với mọi p, các điều kiện (Ap), (Bp), (Cp) (trong đó fp được thay bởi f). Đồng cấu này xác định một đồng cấu σ của K-môđun g vào K-môđun LK(P) và σ là một ánh xạ α do điều kiện (Cp). Cuối cùng, σ thỏa mãn các tính chất (1) và (2) của bổ đề do các điều kiện (Ap) và (Bp).
Bổ đề 3
Cho t là một tenxơ trong Tn∩J. Thành phần thuần nhất tn của t có cấp n nằm trong hạt nhân I của đồng cấu chính tắc T→S.
Ta viết tn dưới dạng ∑i=1rxMi, trong đó các Mi là các dãy gồm n phần tử của Λ. Ánh xạ σ mở rộng thành một đồng cấu của đại số T vào đại số LK(P) (mà ta cũng sẽ ký hiệu là σ), bằng không trên J. Theo Bổ đề 2, σ(t).1 là một đa thức mà các số hạng có bậc cao nhất là ∑i=1rzMi. Vì t∈J, nên σ(t)=0 và do đó ∑i=1rzMi=0 trong P. Bây giờ P được đồng nhất một cách chính tắc với S, vì g có cơ sở (xλ). Vì thế ảnh chính tắc của tn trong S là không, tức là tn∈I.
Bây giờ ta có thể chứng minh Định lý 1. Cần chứng minh rằng đồng cấu chính tắc của S lên G là đơn ánh. Nói cách khác, nếu t∈Tn và ψ ký hiệu đồng cấu chính tắc của T lên U, thì cần chỉ ra rằng điều kiện ψ(t)∈Un−1 kéo theo t∈I. Mà ψ(t)∈Un−1 có nghĩa là tồn tại một tenxơ t′∈Tn−1 sao cho t−t′∈J. Tenxơ t−t′ nhận t làm thành phần thuần nhất cấp n và do đó t∈I theo Bổ đề 3.
Hệ quả 1
Giả sử rằng g là một K-môđun tự do. Cho W là một K-môđun con của Tn.
Nếu, theo ký hiệu của biểu đồ (3), hạn chế củaτntrênWlà một đẳng cấu từWlênSn, thì hạn chế củaψntrênWlà một đẳng cấu từWlên một phần bù củaUn−1trongUn.
Hạn chế trên W của ωn∘τn là một song ánh từ W lên Gn; hạn chế θn∘ψn trên W cũng vậy. Do đó suy ra hệ quả.
Hệ quả 2
Nếu g là một K-môđun tự do, thì ánh xạ chính tắc từ g vào đại số bao của nó là đơn ánh.
Điều này suy ra từ Hệ quả 1 khi lấy W=T1.
Khi g là một K-môđun tự do (đặc biệt khi K là một trường), g được đồng nhất với một môđun con của U qua ánh xạ chính tắc từ g vào U. Quy ước này được chấp nhận kể từ hệ quả sau đây.
Hệ quả 3
Nếu g có một cơ sở được sắp thứ tự toàn phần (xλ)λ∈Λ, thì các phần tử xλ1xλ2…xλn của đại số bao U, trong đó (λ1,…,λn) là một dãy hữu hạn tăng tùy ý gồm các phần tử của Λ, tạo thành một cơ sở của K-môđun U.
Cho Λn là tập hợp các dãy tăng gồm n phần tử của Λ. Với M=(λ1,…,λn)∈Λn, đặt yM=xλ1⊗xλ2⊗⋯⊗xλn. Cho W là môđun con của Tn có cơ sở là (yM)M∈Λn. Hệ quả 1 cho thấy rằng hạn chế của ψn lên W là một đẳng cấu từ W lên một phần bù của Un−1 trong Un. Nhưng
ψn(yM)=xλ1xλ2…xλn,
do đó có hệ quả.
Hệ quả 4
Cho S′n⊂Tn là tập hợp các tenxơ đối xứng thuần nhất cấp n. Giả sử rằng K là một trường có đặc số 0. Khi đó ánh xạ hợp thành của các ánh xạ chính tắc
Sn→S′n→Un
là một đẳng cấu từ không gian vectơ Sn lên một phần bù của Un−1 trong Un.
Điều này suy ra từ Hệ quả 1 khi lấy W=S′n.
Từ nay giả sử rằng K là một trường có đặc số 0. Cho ηn là ánh xạ từ Sn vào Un vừa được định nghĩa. Đặt Un=ηn(Sn). Không gian vectơ U là tổng trực tiếp của các Un. Các ηn xác định một đẳng cấu η từ không gian vectơ S=∑nSn lên không gian vectơ U=∑nUn, gọi là đẳng cấu chính tắc từ S lên U; đây không phải là một đẳng cấu đại số. Ta có biểu đồ giao hoán:
S′n↗ψn↘τnUn↑ηnSn↘θn↗ωnGn
trong đó mỗi mũi tên biểu diễn một đẳng cấu không gian vectơ. Nếu x1,x2,…,xn thuộc g, thì ηn biến tích x1x2…xn, tính trong S, thành phần tử
n!1σ∈Sn∑xσ(1)xσ(2)⋯xσ(n)
tính trong U.
Hệ quả 5
Cho h là một đại số con của đại số Lie g và U′ là đại số bao của nó. Giả sử rằng các K-môđun h và g/h là tự do (chẳng hạn nếu K là một trường). Cho (xα)α∈L là một cơ sở của h và (yβ)β∈M là một họ phần tử của g mà các ảnh chính tắc của chúng trong g/h lập thành một cơ sở của g/h.
(a) *Đồng cấu chính tắc từ U′ vào U là đơn ánh.
(b) Nếu M được sắp thứ tự toàn phần, thì các phần tử yβ1…yβq, với β1≤⋯≤βq, lập thành một cơ sở của U khi xem nó như một môđun trái hoặc phải trên U′.
Ta cho L∪M một thứ tự toàn phần sao cho mọi phần tử của L đều nhỏ hơn mọi phần tử của M. Các phần tử xα1xα2…xαp được tính trong U′ (trong đó α1≤⋯≤αp) tạo thành một cơ sở của U′ (Hệ quả 3). Các phần tử
xα1…xαpyβ1…yβq
được tính trong U (trong đó α1≤⋯≤αp≤β1≤⋯≤βq) tương tự tạo thành một cơ sở của U. Do đó đồng cấu chính tắc của U′ vào U ánh xạ các phần tử của một cơ sở của U′ thành các phần tử độc lập tuyến tính của U và vì vậy là đơn ánh. Hơn nữa, ta thấy rằng các yβ1…yβq (trong đó β1≤⋯≤βq) tạo thành một cơ sở của U được xét như một U′-môđun trái. Sắp thứ tự L∪M sao cho mọi phần tử của M đều nhỏ hơn mọi phần tử của L, ta thấy tương tự rằng các yβ1…yβq (trong đó β1≤⋯≤βq) tạo thành một cơ sở của U được xét như một U′-môđun phải.
Trong các điều kiện của Hệ quả 5, U′ được đồng nhất với đại số con của U sinh bởi h nhờ đồng cấu chính tắc của U′ vào U.
Hệ quả 6
Giả sử rằng K-môđun g là tổng trực tiếp của các đại số con g1,g2,…,gn và mỗi gi là một K-môđun tự do. Gọi Ui là đại số bao phủ của gi (1≤i≤n). Gọi ϕ là ánh xạ tuyến tính K của K-môđun U1⊗K⋯⊗KUn vào U được xác định bởi ánh xạ đa tuyến tính (u1,…,un)↦u1…un của U1×⋯×Un vào U. Khi đó ϕ là một đẳng cấu K-môđun.
Cho (xλi)λ∈Li là một cơ sở của gi. Ta sắp thứ tự toàn phần L1∪⋯∪Ln sao cho mọi phần tử của Li đều lớn hơn mọi phần tử của Lj đối với i≥j. Khi đó các phần tử:
(xλ11xλ21…xλp1)⊗⋯⊗(xv1nxv2n…xvqn),
trong đó λ1≤λ2≤⋯≤λp≤⋯≤v1≤v2≤⋯≤vq, tạo thành một cơ sở của U1⊗K⋯⊗KUn. Chúng được ϕ ánh xạ thành các phần tử:
xλ11xλ21…xλp1…xv1nxv2n…xvqn
which lập thành một cơ sở của U. Do đó hệ quả.
Hệ quả 7
Nếu K là một miền nguyên và g là một K-môđun tự do, đại số U không có các ước của không.
G đẳng cấu với một đại số đa thức trên K (Định lý 1) và do đó là một miền nguyên (Đại số, Chương IV, § 1, no. 4, Định lý 1). Do đó hệ quả (Đại số giao hoán, Chương III, § 2, no. 3, Mệnh đề 1).
8. Mở rộng các đạo hàm
Bổ đề 4
Cho V là một K-môđun và T là đại số tenxơ của V. Cho u là một tự đồng cấu của V. Tồn tại duy nhất một đạo hàm của T mở rộng u. Đạo hàm này giao hoán với các toán tử đối xứng trên T.
của F vào ⨂nV là đa tuyến tính. Do đó tồn tại một tự đồng cấu un của ⨂nV sao cho:
un(x1⊗⋯⊗xn)=ux1⊗⋯⊗xn+⋯+x1⊗⋯⊗uxn
với mọi x1,…,xn trong V. Khi đó u1=u. Gọi v là tự đồng cấu của K-môđun T trùng với un trên mỗi Tn=⨂nV và bằng không trên T0=K.1. Ta chứng minh rằng v là một đạo hàm của T. Nếu x1,…,xn,y1,…,yp là các phần tử của V, thì
Theo tính tuyến tính, suy ra v là một đạo hàm. Tính duy nhất của v là hiển nhiên. Cuối cùng, rõ ràng un giao hoán với tất cả các toán tử đối xứng trên ⨂nV, do đó có khẳng định cuối cùng.
Mệnh đề 7
Cho g là một đại số Lie, U là đại số bao quanh của nó, σ là ánh xạ chính tắc của g vào U và D là một đạo hàm của g.* (a) Tồn tại duy nhất một đạo hàm DU của U sao cho σ∘D=DU∘σ (nghĩa là sao cho DU mở rộng D, khi g có thể được đồng nhất với một môđun con của U dưới σ). (b) DU giữ ổn định Un và tập hợp Un gồm các ảnh trong U của các tenxơ đối xứng thuần nhất cấp n trên g.
(c) DU giao hoán với phản tự đồng cấu chính tắc của U.
(d) *Nếu D là đạo hàm nội của g được xác định bởi một phần tử x của g, DU là đạo hàm nội của U được xác định bởi σ(x).
Gọi DT là đạo hàm của đại số tenxơ T của g mở rộng D (Bổ đề 4). Iđêan hai phía J của T sinh bởi
x⊗y−y⊗x−[x,y]
(x,y trong g) là ổn định dưới DT. Vì:
DT(x⊗y−y⊗x−[x,y])=Dx⊗y−y⊗Dx−[Dx,y]
+x⊗Dy−Dy⊗x−[x,Dy].
Khi chuyển qua thương, DT xác định một đạo hàm DU của U sao cho σ∘D=DU∘σ. Tính duy nhất của DU là ngay lập tức vì 1 và σ(g) sinh đại số U. Khẳng định (b) là hiển nhiên. Gọi A là phản tự đồng cấu chính tắc của U. Bây giờ chứng minh (c). Nếu x1,…,xn thuộc g, thì
DUA(σ(x1)…σ(xn))=DU((−1)nσ(xn)…σ(x1))
=(−1)ni=1∑nσ(xn)…DU(σ(xi))…σ(x1)
=(−1)ni=1∑nσ(xn)…σ(Dxi)…σ(x1)
=A(i=1∑nσ(x1)…σ(Dxi)…σ(xn))
=ADU(σ(x1)…σ(xn)).
Sau cùng, cho x∈g. Gọi Δ là đạo hàm nội y↦σ(x)y−yσ(x) của U (Đại số, Chương IV, § 4, no. 3, Ví dụ 2). Khi đó, với x′∈g,
Áp dụng Mệnh đề 7 cho trường hợp một đại số Lie giao hoán, ta thấy rằng mọi tự đồng cấu u của một K-môđun đều có thể được mở rộng một cách duy nhất thành một đạo hàm của đại số đối xứng của môđun này; đạo hàm này được dẫn xuất, khi chuyển qua thương, từ đạo hàm của đại số tenxơ mở rộng u.
Ta lại lấy một đại số Lie g trên K và gọi D là một đạo hàm của g. Ta dùng các ký hiệu đã có trước đó T,S,U,G. Gọi DT,DS là các đạo hàm của T,S mở rộng D và gọi DU là đạo hàm duy nhất của U sao cho σ∘D=DU∘σ. Vì DU giữ ổn định các Un, nên DU xác định, khi lấy thương, một đạo hàm DG của G. Vì DU và DS được dẫn xuất từ DT khi chuyển qua thương, biểu đồ giao hoán (3) chứng tỏ rằng DG cũng có thể được dẫn xuất từ DS bởi đồng cấu ω được định nghĩa trong no. 6. Hơn nữa, nếu K là một trường có đặc số 0, các đẳng cấu của biểu đồ (4) biến các hạn chế của DT,DS,DU,DG trên S′n,Sn,Un,Gn thành nhau. Vậy nên đẳng cấu chính tắc của S lên U biến DS thành DU.
9. Mở rộng vành cơ sở
Cho g là một đại số Lie trên K, T là đại số tenxơ của nó, J là iđêan hai phía của T sinh bởi các x⊗y−y⊗x−[x,y] (x,y trong g) và U=T/J. Cho K1 là một vành giao hoán có phần tử đơn vị và σ là một đồng cấu của K vào K1 biến 1 thành 1. Khi đó đại số tenxơ của g(K1) được đồng nhất một cách chính tắc với T(K1). Gọi J′ là iđêan hai phía của T(K1) sinh bởi các
x′⊗y′−y′⊗x′−[x′,y′]
(x′,y′ trong g(K1)). Rõ ràng ảnh chính tắc của J(K1) trong T(K1) được chứa trong J′. Để thấy rằng nó bằng J′, chỉ cần chứng minh rằng, nếu x′ và y′ là hai phần tử của g(K1), x′⊗y′−y′⊗x′−[x′,y′] thuộc vào ảnh này. Khi đó
x′=i∑xi⊗λi,y′=j∑yj⊗μj(xi,yj trong g,λi,μj trong K1);
điều này chứng minh mệnh đề của chúng ta. Sau đó có thể thấy rằng U(K1)=(T/J)(K1) được đồng nhất một cách chính tắc với T(K1)/J′: đại số bao của g(K1) được đồng nhất một cách chính tắc với U(K1) và ánh xạ chính tắc của g(K1) vào đại số bao của nó được đồng nhất với σ⊗1 (trong đó σ ký hiệu ánh xạ chính tắc của g vào U).