Bourbaki

§ 2. Đại số bao của một đại số Lie

1. Định nghĩa đại số bao

Cho gg là một đại số Lie trên KK. Đối với mọi đại số kết hợp có phần tử đơn vị LL trên KK, một ánh xạ α\alpha của gg vào LL là một ánh xạ tuyến tính trên KK σ\sigma của gg vào LL sao cho

σ([x,y])=σ(x)σ(y)−σ(y)σ(x)(x,y trong g) \sigma([x, y]) = \sigma(x)\sigma(y) - \sigma(y)\sigma(x) \quad (x, y \text{ trong } g)
(nói cách khác là một đồng cấu của gg vào đại số Lie liên kết với LL).

Nếu L′L' là một đại số kết hợp khác có phần tử đơn vị trên KK và τ\tau là một đồng cấu của LL vào L′L' biến 1 thành 1, thì τ∘σ\tau \circ \sigma là một ánh xạ α\alpha của gg vào L′L'. Ta sẽ tìm một đại số kết hợp có phần tử đơn vị và một ánh xạ α\alpha của gg vào đại số này có tính phổ quát (Lý thuyết tập hợp, Chương IV, § 3, no. 1).

Định nghĩa 1

Cho gg là một đại số Lie trên KK, TT là đại số tenxơ của KK-môđun gg và JJ là iđêan hai phía của TT sinh bởi các tenxơ x⊗y−y⊗x−[x,y]x \otimes y - y \otimes x - [x, y] trong đó x∈g,y∈gx \in g, y \in g. Đại số kết hợp U=T/JU = T/J được gọi là đại số bao của gg. Hạn chế vào gg của ánh xạ chính tắc của TT lên UU được gọi là ánh xạ chính tắc của gg vào UU.

Cho T+T_+ là iđêan hai phía của TT gồm các tenxơ mà thành phần có cấp 0 là không. Cho T0=K.1T_0 = K.1 là tập hợp các phần tử của TT có cấp 0. Cho U+U_+ và U0U_0 là các ảnh chính tắc của T+T_+ và T0T_0 trong UU. Vì J⊂T+J \subset T_+, phân tích thành tổng trực tiếp T=T0+T+T = T_0 + T_+ kéo theo một phân tích thành tổng trực tiếp U=U0+U+U = U_0 + U_+. Đại số UU do đó có một phần tử đơn vị phân biệt với 0 và U0=K.1U_0 = K.1. Với mọi x∈Ux \in U, thành phần của xx trong U0U_0 được gọi là số hạng hằng của xx. Các phần tử có số hạng hằng bằng không tạo thành một iđêan hai phía của UU, cụ thể là iđêan hai phía U+U^+ sinh bởi ảnh chính tắc của gg trong UU.

Đại số kết hợp UU được sinh bởi 1 và ảnh chính tắc của gg trong UU.

Nếu x∈gx \in g và y∈gy \in g, x⊗y−y⊗xx \otimes y - y \otimes x và [x,y][x, y] là đồng dư trong TT theo môđun JJ; do đó, nếu σ0\sigma_0 ký hiệu ánh xạ chính tắc của gg vào UU,

σ0(x)σ0(y)−σ0(y)σ0(x)=σ0([x,y]) \sigma_0(x)\sigma_0(y) - \sigma_0(y)\sigma_0(x) = \sigma_0([x, y])

trong UU. Nói cách khác, σ0\sigma_0 là một ánh xạ α\alpha của gg vào UU.

Mệnh đề 1

Cho σ\sigma là một ánh xạ α\alpha của gg vào đại số kết hợp LL có phần tử đơn vị. Tồn tại một và chỉ một đồng cấu τ\tau của UU vào LL, biến 1 thành 1, sao cho σ=τ∘σ0\sigma = \tau \circ \sigma_0, trong đó σ0\sigma_0 ký hiệu ánh xạ chính tắc của gg vào UU.

Cho τ′\tau' là đồng cấu duy nhất của TT vào LL mở rộng σ\sigma và biến 1 thành 1. Khi đó, với x,yx, y trong gg,

τ′(x⊗y−y⊗x−[x,y])=σ(x)σ(y)−σ(y)σ(x)−σ([x,x])=0; \tau'(x \otimes y - y \otimes x - [x, y]) = \sigma(x)\sigma(y) - \sigma(y)\sigma(x) - \sigma([x, x]) = 0;

do đó τ′\tau' bằng không trên JJ và xác định, khi chuyển qua thương, một đồng cấu τ\tau của UU vào LL, ánh xạ 1 vào 1, sao cho σ=τ∘σ0\sigma = \tau \circ \sigma_0. Tính duy nhất của τ\tau là ngay lập tức vì σ0(g)\sigma_0(g) và 1 sinh đại số UU.

Cho g′g' là một đại số Lie khác trên KK, U′U' là đại số bao của nó và σ0′\sigma'_0 là ánh xạ chính tắc của g′g' vào U′U'. Cho ϕ\phi là một đồng cấu của gg vào g′g'. Khi đó σ0′∘ϕ\sigma'_0 \circ \phi là một ánh xạ α\alpha của gg vào U′U'; do đó tồn tại một và chỉ một đồng cấu ϕ~\tilde{\phi} của UU vào U′U' ánh xạ 1 vào 1 và sao cho biểu đồ

g→ϕg′↓σ0↓σ0′U←ϕ~U′ \begin{array}{ccc} g & \xrightarrow{\phi} & g' \\ \downarrow \sigma_0 & & \downarrow \sigma'_0 \\ U & \xleftarrow{\tilde{\phi}} & U' \end{array}

là giao hoán. Đồng cấu này ánh xạ các phần tử của UU có số hạng hằng bằng không vào các phần tử của U′U' có số hạng hằng bằng không. Nếu g′′g'' là một đại số Lie khác trên KK và ϕ′\phi' là một đồng cấu của g′g' vào g′′g'', thì (ϕ′∘ϕ)∼=ϕ~′∘ϕ~(\phi' \circ \phi)^{\sim} = \tilde{\phi}' \circ \tilde{\phi}.

2. Đại số bao của một tích của các đại số Lie

Cho g1,g2g_1, g_2 là hai đại số Lie trên KK, UiU_i là đại số bao của gig_i và σi\sigma_i là ánh xạ chính tắc của gig_i vào UiU_i (i=1,2i = 1, 2). Cho g=g1×g2,Ug = g_1 \times g_2, U là đại số bao của nó và σ\sigma là ánh xạ chính tắc của gg vào UU. Các phép nhúng chính tắc của g1g_1 và g2g_2 vào gg xác định các đồng cấu chính tắc của U1U_1 và U2U_2 vào UU, các ảnh của chúng giao hoán và do đó một đồng cấu ϕ\phi của đại số U1⊗KU2U_1 \otimes_K U_2 vào đại số UU, ánh xạ 1 vào 1.

Mệnh đề 2

Đồng cấu ϕ\phi là một đẳng cấu đại số

Ánh xạ σ′:(x1,x2)↦σ1(x1)⊗1+1⊗σ2(x2)\sigma': (x_1, x_2) \mapsto \sigma_1(x_1) \otimes 1 + 1 \otimes \sigma_2(x_2) (x1∈g1,x2∈g2x_1 \in g_1, x_2 \in g_2) là một ánh xạ α\alpha của gg vào U1⊗KU2U_1 \otimes_K U_2 và do đó tồn tại (no. 1, Mệnh đề 1) một đồng cấu duy nhất τ\tau của UU vào U1⊗KU2U_1 \otimes_K U_2 biến 1 thành 1, sao cho:

(1)(1)
σ′=τ∘σ. \sigma' = \tau \circ \sigma.

Bây giờ ϕ∘τ∘σ=ϕ∘σ′=σ\phi \circ \tau \circ \sigma = \phi \circ \sigma' = \sigma và τ∘ϕ∘σ′=τ∘σ=σ′\tau \circ \phi \circ \sigma' = \tau \circ \sigma = \sigma', do đó ϕ∘τ\phi \circ \tau và τ∘ϕ\tau \circ \phi lần lượt là các ánh xạ đồng nhất của UU và U1⊗KU2U_1 \otimes_K U_2. Do đó có mệnh đề.

U1⊗KU2U_1 \otimes_K U_2 được đồng nhất với UU qua đẳng cấu ϕ\phi. Khi đó ánh xạ chính tắc của gg vào UU được đồng nhất theo (1) với ánh xạ:

(x1,x2)↦σ1(x1)⊗1+1⊗σ2(x2). (x_1, x_2) \mapsto \sigma_1(x_1) \otimes 1 + 1 \otimes \sigma_2(x_2).

Tương tự, nếu g1,…,gng_1, \ldots, g_n là các đại số Lie trên KK với các đại số bao U1,…,UnU_1, \ldots, U_n, thì đại số bao UU của g1×⋯×gng_1 \times \cdots \times g_n được đồng nhất một cách chính tắc với U1⊗K⋯⊗KUnU_1 \otimes_K \cdots \otimes_K U_n và ánh xạ chính tắc của g1×⋯×gng_1 \times \cdots \times g_n vào UU được đồng nhất với ánh xạ:

(x1,…,xn)↦σ1(x1)⊗1⊗⋯⊗1+⋯+1⊗⋯⊗1⊗σn(xn) (x_1, \ldots, x_n) \mapsto \sigma_1(x_1) \otimes 1 \otimes \cdots \otimes 1 + \cdots + 1 \otimes \cdots \otimes 1 \otimes \sigma_n(x_n)
(σi\sigma_i ký hiệu ánh xạ chính tắc của gig_i vào UiU_i).

3. Đại số bao của một đại số con Lie

Cho gg là một đại số Lie trên KK, hh là một đại số con của gg và σ,σ′\sigma, \sigma' là các ánh xạ chính tắc của g,hg, h vào các đại số bao của chúng U,VU, V. Khi đó đơn ánh chính tắc ii của hh vào gg xác định một đồng cấu i~\tilde{i}, được gọi là chính tắc, của VV vào UU sao cho σ∘i=i~∘σ′\sigma \circ i = \tilde{i} \circ \sigma'. Đại số i~(V)\tilde{i}(V) được sinh bởi 1 và σ(h)\sigma(h). Ta sẽ thấy (no. 7, Hệ quả của Định lý 5) rằng i~\tilde{i} là đơn ánh trong những trường hợp quan trọng.

Nếu hh là một iđêan của gg, iđêan trái của UU sinh bởi σ(h)\sigma(h) trùng với iđêan phải sinh bởi σ(h)\sigma(h), nói cách khác nó là một iđêan hai phía RR. Điều này suy ra vì, với x∈hx \in h và x′∈gx' \in g,

σ(x)σ(x′)=σ(x′)σ(x)+σ([x,x′]) \sigma(x)\sigma(x') = \sigma(x')\sigma(x) + \sigma([x, x'])
và [x,x′]∈h[x, x'] \in h.

Mệnh đề 3

Cho hh là một iđêan của gg, pp là đồng cấu chính tắc của gg lên g/hg/h và WW là đại số bao của g/hg/h. Đồng cấu:*

p~:U→W \tilde{p}: U \to W
*được xác định một cách chính tắc bởi pp là toàn ánh và hạt nhân của nó là iđêan RR của UU sinh bởi σ(h)\sigma(h).

Cho σ′′\sigma'' là ánh xạ chính tắc của g/hg/\mathfrak{h} vào W. Biểu đồ giao hoán:

h→ig↓σ′↓σV→ιU \begin{array}{ccc} \mathfrak{h} & \xrightarrow{i} & g \\ \downarrow \sigma' & & \downarrow \sigma \\ V & \xrightarrow{\iota} & U \end{array}
g→pg/h↓σ↓σ′′U→p~W \begin{array}{ccc} g & \xrightarrow{p} & g/\mathfrak{h} \\ \downarrow \sigma & & \downarrow \sigma'' \\ U & \xrightarrow{\tilde{p}} & W \end{array}

chứng minh rằng p~\tilde{p} bằng không trên σ(h)\sigma(\mathfrak{h}) và do đó trên R. Gọi ψ\psi là đồng cấu chính tắc của U lên U/R. Có một đồng cấu ϕ\phi của U/R

g→pg/h↓σ↓σ′′U→ψU/R \begin{array}{ccc} g & \xrightarrow{p} & g/\mathfrak{h} \\ \downarrow \sigma & & \downarrow \sigma'' \\ U & \xrightarrow{\psi} & U/R \end{array}
U/R←ϕ′W↑θ↑ϕU/R→ϕW \begin{array}{ccc} U/R & \xleftarrow{\phi'} & W \\ & \uparrow \theta & \\ & \uparrow \phi & \\ U/R & \xrightarrow{\phi} & W \end{array}

vào W sao cho p~=ϕ∘ψ\tilde{p} = \phi \circ \psi. Ánh xạ ψ∘σ\psi \circ \sigma của g vào U/R là một ánh xạ α\alpha và bằng không trên h\mathfrak{h}, do đó xác định một ánh xạ α\alpha θ\theta của g/hg/\mathfrak{h} vào U/R sao cho θ∘p=ψ∘σ\theta \circ p = \psi \circ \sigma. Khi đó ϕ∘θ∘p=ϕ∘ψ∘σ=σ′′∘p\phi \circ \theta \circ p = \phi \circ \psi \circ \sigma = \sigma'' \circ p. Suy ra ϕ∘θ=σ′′\phi \circ \theta = \sigma''. Có một và chỉ một đồng cấu ϕ′\phi' của W vào U/R (no. 1, Mệnh đề 1) biến 1 thành 1 và sao cho θ=ϕ′∘σ′′\theta = \phi' \circ \sigma''. Khi đó ϕ′∘ϕ∘θ=ϕ′∘σ′′=θ\phi' \circ \phi \circ \theta = \phi' \circ \sigma'' = \theta và ϕ∘ϕ′∘σ′′=ϕ∘θ=σ′′\phi \circ \phi' \circ \sigma'' = \phi \circ \theta = \sigma'', và do đó ϕ′∘ϕ\phi' \circ \phi và ϕ∘ϕ′\phi \circ \phi' 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\phi. Khi đó ánh xạ chính tắc σ′′\sigma'' của g/hg/\mathfrak{h} vào W được đồng nhất với θ\theta, tức là với ánh xạ của g/hg/\mathfrak{h} vào U/R dẫn xuất từ σ\sigma bằng cách lấy thương.

4. Đại số bao của đại số Lie đối

Cho gg là một đại số Lie trên K, g0g^0 là đại số Lie đối và σ\sigma và σ0\sigma_0 là các ánh xạ chính tắc của gg và g0g^0 vào các đại số bao quanh của chúng U và V. Khi đó σ\sigma là một ánh xạ α\alpha của g0g^0 vào đại số kết hợp U0U^0 đối với đại số kết hợp U. Do đó tồn tại duy nhất một đồng cấu ϕ\phi từ V vào U0U^0 biến 1 thành 1 và sao cho σ=ϕ∘σ0\sigma = \phi \circ \sigma_0.

Mệnh đề 4

Đồng cấu ϕ\phi là một đẳng cấu từ V lên U0U^0.

Tồn tại một đồng cấu ϕ′\phi' từ U vào V0V^0 biến 1 thành 1 và sao cho σ0=ϕ′∘σ\sigma_0 = \phi' \circ \sigma. Có thể xem ϕ′\phi' như một đồng cấu từ U0U^0 vào V. Khi đó σ0=ϕ′∘ϕ∘σ0\sigma_0 = \phi' \circ \phi \circ \sigma_0 và σ=ϕ∘ϕ′∘σ\sigma = \phi \circ \phi' \circ \sigma và do đó ϕ′∘ϕ\phi' \circ \phi và ϕ∘ϕ′\phi \circ \phi' là các ánh xạ đồng nhất của V và U. Do đó có mệnh đề.

V được đồng nhất với U0U^0 theo đẳng cấu ϕ\phi. Khi đó σ0\sigma_0 được đồng nhất với σ\sigma.

Với sự đồng nhất này, đẳng cấu θ:x↦−x\theta : x \mapsto -x của gg lên g0g^0 xác định một đẳng cấu θ~\tilde{\theta} của U lên V=U0V = U^0. 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,…,xnx_1, \ldots, x_n thuộc gg, thì:

(2)θ~(σ(x1)…σ(xn))=θ~(σ(xn))…θ~(σ(x1))=(−σ(xn))…(−σ(x1)) (2) \quad \tilde{\theta}(\sigma(x_1) \ldots \sigma(x_n)) = \tilde{\theta}(\sigma(x_n)) \ldots \tilde{\theta}(\sigma(x_1)) = (-\sigma(x_n)) \ldots (-\sigma(x_1))
=(−1)nσ(xn)…σ(x1). = (-1)^n \sigma(x_n) \ldots \sigma(x_1).

5. Đại số đối xứng của một môđun

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⊗xx \otimes y - y \otimes x (x∈V,y∈Vx \in V, y \in V); khi đó lập đại số S=T/IS = 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 TnT^n là tập hợp các tenxơ thuần nhất cấp n trong T. Khi đó I=(I∩T2)+(I∩T3)+⋯I = (I \cap T^2) + (I \cap T^3) + \cdots và do đó S là tổng trực tiếp của các ảnh chính tắc SnS^n của các TnT^n. Các phần tử của SnS^n được gọi là thuần nhất bậc n. S0=K.1,S1S^0 = K.1, S^1 được đồng nhất với V và SnSp⊂Sn+pS^n S^p \subset S^{n+p}. Đại số S được sinh bởi 1 và S1=VS^1 = V. Rõ ràng hai phần tử bất kỳ của S1S^1 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(x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda}, đồng cấu chính tắc f của đại số đa thức K[Xλ]λ∈ΛK[X_\lambda]_{\lambda \in \Lambda} lên S biến 1 thành 1 và XλX_\lambda thành xλx_\lambda với mọi λ∈Λ\lambda \in \Lambda 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∈ΛK[X_\lambda]_{\lambda \in \Lambda} biến 1 thành 1 và xλx_\lambda thành XλX_\lambda với mọi λ∈Λ\lambda \in \Lambda và f và g là các đồng cấu nghịch đảo của nhau.

Cho S′n⊂Tn{S'}^n \subset T^n 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{S'}^n và I∩TnI \cap T^n bù nhau trong TnT^n. Thật vậy, lấy (xλ)λ∈Λ(x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda} là một cơ sở của V. Ta trang bị cho Λ\Lambda một thứ tự toàn phần (Lý thuyết tập hợp, Chương III, § 2, no. 3, Định lý 1). Gọi Λn\Lambda_n là tập hợp các dãy tăng gồm n phần tử của Λ\Lambda. Với M=(λ1,…,λn)∈ΛnM = (\lambda_1, \ldots, \lambda_n) \in \Lambda_n, đặt

yM=1n!∑σ∈Snxλσ(n)⊗⋯⊗xλσ(n). y_M = \frac{1}{n!} \sum_{\sigma \in S_n} x_{\lambda_{\sigma(n)}} \otimes \cdots \otimes x_{\lambda_{\sigma(n)}}.

Các yMy_M với M∈ΛnM \in \Lambda_n lập thành một hệ sinh của K-không gian vectơ S′n{S'}^n. Mặt khác, các ảnh chính tắc của chúng trong SnS^n cấu thành, theo đoạn trên, một cơ sở của SnS^n. Do đó (yM)M∈Λn(y_M)_{M \in \Lambda_n} là một cơ sở của một không gian con bù của I∩TnI \cap T^n trong TnT^n (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{S'}^n của ánh xạ chính tắc Tn→SnT^n \to S^n là một đẳng cấu từ không gian S′n{S'}^n lên không gian SnS^n 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≥0S′n caˊc tenxơ đoˆˊi xứng. S' = \sum_{n \geq 0} {S'}^n \text{ các tenxơ đối xứng}.

6. Phân bậc của đại số bao

Cho gg là một đại số Lie trên KK và TT là đại số tenxơ của K-môđun gg. Gọi TnT^n là môđun con của TT gồm các tenxơ thuần nhất cấp nn và Tn=∑i≤nTiT_n = \sum_{i \leq n} T^i. Khi đó Tn⊂Tn+1T_n \subset T_{n+1}, T0=K.1T_0 = K.1, T−1={0}T_{-1} = \{0\} và TnTp⊂Tn+pT_n T_p \subset T_{n+p}.

Gọi UnU_n là ảnh chính tắc của TnT_n trong đại số bao UU của gg. Khi đó Un⊂Un+1U_n \subset U_{n+1}, U0=K.1U_0 = K.1, U−1={0}U_{-1} = \{0\} và UnUp⊂Un+pU_n U_p \subset U_{n+p}; vì thế UU có thể được mô tả như một đại số được lọc bởi các UnU_n (Đại số giao hoán, Chương III, § 2, no. 1); các phần tử của UnU_n sẽ được gọi là có bậc lọc ≤n\leq n.

Cho GnG^n là KK-môđun Un/Un−1U_n / U_{n-1} và cho GG là KK-môđun là tổng trực tiếp của các GnG^n. Phép nhân trên UU xác định, khi lấy các thương, một ánh xạ song tuyến tính từ Gn×GmG^n \times G^m vào Gn+mG^{n+m} và do đó một ánh xạ song tuyến tính từ G×GG \times G vào GG, ánh xạ này kết hợp. Vì vậy GG được trang bị một cấu trúc đại số KK kết hợp. Khi đó GnGm⊂Gn+mG^n G^m \subset G^{n+m}. Các phần tử của GnG^n được gọi là có bậc nn. Đại số phân bậc thu được như vậy chính là đại số phân bậc liên kết với đại số lọc UU (Đại số giao hoán, Chương III, § 2, no. 3).

Cho ϕn\phi_n là hợp thành của các ánh xạ tuyến tính KK chính tắc

Tn→Un→Gn. T^n \to U_n \to G^n.

Vì TnT^n là bổ sung cho Tn−1T_{n-1} trong TnT_n, ϕn\phi_n là toàn ánh. Các ϕn\phi_n xác định một ánh xạ tuyến tính KK ϕ\phi từ ∑nTn=T\sum_n T^n = T lên ∑nGn=G\sum_n G^n = G.

Mệnh đề 5

Ánh xạ ϕ\phi từ TT lên GG là một đồng cấu đại số biến 1 thành 1 và bằng không trên iđêan hai phía sinh bởi các tenxơ x⊗y−y⊗xx \otimes y - y \otimes x (x∈g,y∈gx \in g, y \in g).

Nếu t∈Tnt \in T^n và t′∈Tpt' \in T^p, thì ϕ(t)ϕ(t′)=ϕ(tt′)\phi(t)\phi(t') = \phi(tt') theo định nghĩa của phép nhân trên GG. Do đó ϕ\phi là một đồng cấu đại số và rõ ràng ϕ(1)=1\phi(1) = 1. Nếu x,yx, y thuộc gg, thì x⊗y−y⊗x∈T2x \otimes y - y \otimes x \in T^2 và ảnh chính tắc của phần tử này trong U2U_2 bằng ảnh của [x,y][x, y] và do đó thuộc U1U_1. Vì vậy ϕ(x⊗y−y⊗x)=0\phi(x \otimes y - y \otimes x) = 0, điều này chứng minh mệnh đề.

Cho SS là đại số đối xứng của KK-môđun gg và τ\tau là đồng cấu chính tắc từ TT lên SS. Mệnh đề 5 chứng minh rằng tồn tại một đồng cấu duy nhất ω\omega, được gọi là chính tắc, từ đại số SS lên đại số GG, biến 1 thành 1, sao cho ϕ=ω∘τ\phi = \omega \circ \tau. Ta có ω(Sn)=ϕ(Tn)=Gn\omega(S^n) = \phi(T^n) = G^n. Gọi τn\tau_n là hạn chế của τ\tau lên TnT^n, ωn\omega_n là hạn chế của ω\omega lên SnS^n, ψn\psi_n là ánh xạ chính tắc từ TnT^n vào UnU_n và θn\theta_n là ánh xạ chính tắc từ UnU_n lên GnG^n. Định nghĩa của ωn\omega_n chứng minh rằng biểu đồ sau đây là giao hoán:

Tn→ψnUn→θnGn↘↙Sn→ωn \begin{array}{ccccc} T^n & \xrightarrow{\psi_n} & U_n & \xrightarrow{\theta_n} & G^n \\ & \searrow & & \swarrow & \\ & & S^n & \xrightarrow{\omega_n} & \end{array}

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\leq 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\eta là một đồng cấu từ g vào g' và η~\tilde{\eta} là đồng cấu tương ứng từ U vào U'. Khi đó

η~(Un)⊂Un′,η~(Un)⊂U′n. \tilde{\eta}(U_n) \subset U'_n, \quad \tilde{\eta}(U^n) \subset {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 TnT^n lên chính nó biến

x1⊗x2⊗⋯⊗xnthaˋnhxn⊗xn−1⊗⋯⊗x1 x_1 \otimes x_2 \otimes \cdots \otimes x_n \quad \text{thành} \quad x_n \otimes x_{n-1} \otimes \cdots \otimes x_1

với mọi x1,...,xnx_1, ..., x_n 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(-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 KK-môđun g. Nếu g là một K-môđun tự do, thì đồng cấu chính tắc ω:S→G\omega : S \to G là một đẳng cấu.

Gọi (xλ)λ∈Λ(x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda} là một cơ sở của KK-môđun g; ta trang bị cho Λ\Lambda 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∈ΛK[z_\lambda]_{\lambda \in \Lambda} theo các ẩn zλz_\lambda tương ứng một-một với các xλx_\lambda. Với mọi dãy M=(λ1,λ2,...,λn)M = (\lambda_1, \lambda_2, ..., \lambda_n) gồm các phần tử của Λ\Lambda, gọi zMz_M là đơn thức zλ1zλ2...zλnz_{\lambda_1}z_{\lambda_2}...z_{\lambda_n} và xMx_M là tenxơ xλ1⊗xλ2⊗⋯⊗xλnx_{\lambda_1} \otimes x_{\lambda_2} \otimes \cdots \otimes x_{\lambda_n}.

Các zMz_M, với M tăng, tạo thành một cơ sở của K-môđun P (ta quy ước rằng ∅\varnothing là một dãy tăng và z∅=1z_\varnothing = 1). Gọi PpP_p là môđun con các đa thức bậc ≤p\leq p. Trước hết ta sẽ chứng minh một số bổ đề. (Để viết gọn, ta viết λ≤M\lambda \leq M nếu λ≤μ\lambda \leq \mu với mọi chỉ số μ\mu của dãy M.)

Bổ đề 1

Với mọi số nguyên p≥0p \geq 0, tồn tại một đồng cấu duy nhất fpf_p từ K-môđun g⊗KPpg \otimes_K P_p vào K-môđun P thỏa mãn các điều kiện sau:*

(Ap)fp(xλ⊗zM)=zλzMvới λ≤M,zM∈Pp;(Bp)fp(xλ⊗zM)−zλzM∈Pqvới zM∈Pq,q≤p;(Cp)fp(xλ⊗fp(xμ⊗zN))=fp(xμ⊗fp(xλ⊗zN))+fp([xλ,xμ]⊗zN) \begin{align*} (A_p) \quad & f_p(x_\lambda \otimes z_M) = z_\lambda z_M \quad \text{với } \lambda \leq M, z_M \in P_p; \\ (B_p) \quad & f_p(x_\lambda \otimes z_M) - z_\lambda z_M \in P_q \quad \text{với } z_M \in P_q, q \leq p; \\ (C_p) \quad & f_p(x_\lambda \otimes f_p(x_\mu \otimes z_N)) = f_p(x_\mu \otimes f_p(x_\lambda \otimes z_N)) + f_p([x_\lambda, x_\mu] \otimes z_N) \end{align*}
với zN∈Pp−1z_N \in P_{p-1}. (Các hạng xuất hiện trong (Cp) là có nghĩa theo (B_p).)

Hơn nữa, hạn chế của fpf_p lên g⊗Pp−1g \otimes P_{p-1} trùng với fp−1f_{p-1}.

Khẳng định cuối cùng suy ra từ các khẳng định khác vì hạn chế của fpf_p trên g⊗KPp−1g \otimes_K P_{p-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 fpf_p bằng quy nạp theo pp. Với p=0p = 0, điều kiện (A_0) cho f0(xλ⊗1)=zλf_0(x_\lambda \otimes 1) = z_\lambda 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−1f_{p-1} đã được chứng minh. Ta chứng minh rằng fp−1f_{p-1} có một mở rộng duy nhất fpf_p lên g⊗KPpg \otimes_K P_p thỏa mãn các điều kiện (A_p), (B_p) và (C_p).

Ta phải định nghĩa fp(xλ⊗zM)f_p(x_\lambda \otimes z_M) đối với một dãy tăng M gồm pp phần tử.

Nếu λ≤M\lambda \leq M, giá trị này được cho bởi điều kiện (A_p). Ngược lại, M có thể được viết duy nhất dưới dạng (μ,N\mu, N), trong đó μ<λ,μ≤N\mu < \lambda, \mu \leq N. Khi đó

zM=zμzN=fp−1(xμ⊗zN) z_M = z_\mu z_N = f_{p-1}(x_\mu \otimes z_N)
theo (A_{p-1}), do đó vế trái của (C_p) là fp(xλ⊗zM)f_p(x_\lambda \otimes z_M). 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 f_p(x_\lambda \otimes z_N) = f_{p-1}(x_\lambda \otimes z_N) = z_\lambda z_N + w
trong đó w∈Pp−1w \in P_{p-1}; do đó vế phải của (C_p) trở thành:
zλzμzN+fp−1(xμ⊗w)+fp−1([xλ,xμ]⊗zN). z_\lambda z_\mu z_N + f_{p-1}(x_\mu \otimes w) + f_{p-1}([x_\lambda, x_\mu] \otimes z_N).

Như vậy fpf_p 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\mu < \lambda, \mu \leq N. Vì [xμ,xλ]=−[xλ,xμ][x_\mu, x_\lambda] = -[x_\lambda, x_\mu], điều kiện (C_p) cũng được thỏa mãn đối với λ<μ,λ≤N\lambda < \mu, \lambda \leq N. Vì (C_p) được thỏa mãn hiển nhiên đối với λ=μ\lambda = \mu, nên (C_p) do đó được thỏa mãn nếu λ≤N\lambda \leq N hoặc μ≤N\mu \leq N. Nếu không có bất kỳ bất đẳng thức nào trong các bất đẳng thức này đúng, N=(ν,Q)N = (\nu, Q), trong đó ν≤Q,ν<λ,ν<μ\nu \leq Q, \nu < \lambda, \nu < \mu. Từ nay viết tắt fp(x⊗z)=xzf_p(x \otimes z) = xz với x∈gx \in g và z∈Ppz \in P_p, ta có theo giả thiết quy nạp:

xμzN=xμ(xνzQ)=xν(xμzQ)+[xμ,xν]zQ. x_\mu z_N = x_\mu(x_\nu z_Q) = x_\nu(x_\mu z_Q) + [x_\mu, x_\nu]z_Q.

Bây giờ zμzQz_\mu z_Q có dạng zμzQ+wz_\mu z_Q + w, trong đó w∈Pp−2w \in P_{p-2}. (C_p) có thể được áp dụng cho xλ(xν(zμzQ))x_\lambda(x_\nu(z_\mu z_Q)), vì ν≤Q\nu \leq Q và ν<μ\nu < \mu, và cho xλ(xνw)x_\lambda(x_\nu w) theo giả thiết quy nạp, và do đó cho xλ(xν(xμzQ))x_\lambda(x_\nu(x_\mu z_Q)). Suy ra:

xλ(xμzN)=xν(xλ(xμzQ))+[xλ,xν](xμzQ)+[xμ,xν](xλzQ)+[xλ,[xμ,xν]]zQ. x_\lambda(x_\mu z_N) = x_\nu(x_\lambda(x_\mu z_Q)) + [x_\lambda, x_\nu](x_\mu z_Q) + [x_\mu, x_\nu](x_\lambda z_Q) + [x_\lambda, [x_\mu, x_\nu]]z_Q.

Đổi chỗ λ\lambda và μ\mu rồi lấy hiệu:

xλ(xμzN)−xμ(xλzN)=xv(xλ(xμzQ)−xμ(xλzQ))+[xλ,[xμ,xv]]zQ−[xμ,[xλ,xv]]zQ=xv([xλ,xμ]zQ)+[xλ,[xμ,xv]]zQ+[xμ,[xv,xλ]]zQ=[xλ,xμ](xvzQ)+([xv,[xλ,xμ]]+[xλ,[xμ,xv]]+[xμ,[xv,xλ]])zQ x_{\lambda}(x_{\mu}z_{N}) - x_{\mu}(x_{\lambda}z_{N}) = x_{v}(x_{\lambda}(x_{\mu}z_{Q}) - x_{\mu}(x_{\lambda}z_{Q})) + [x_{\lambda}, [x_{\mu}, x_{v}]]z_{Q} - [x_{\mu}, [x_{\lambda}, x_{v}]]z_{Q} = x_{v}([x_{\lambda}, x_{\mu}]z_{Q}) + [x_{\lambda}, [x_{\mu}, x_{v}]]z_{Q} + [x_{\mu}, [x_{v}, x_{\lambda}]]z_{Q} = [x_{\lambda}, x_{\mu}](x_{v}z_{Q}) + ([x_{v}, [x_{\lambda}, x_{\mu}]] + [x_{\lambda}, [x_{\mu}, x_{v}]] + [x_{\mu}, [x_{v}, x_{\lambda}]])z_{Q}

và do đó theo đồng nhất thức Jacobi

xλ(xμzN)−xμ(xλzN)=[xλ,xμ]zN x_{\lambda}(x_{\mu}z_{N}) - x_{\mu}(x_{\lambda}z_{N}) = [x_{\lambda}, x_{\mu}]z_{N}

điều này hoàn thành chứng minh của Bổ đề 1.

Bổ đề 2

Có một ánh xạ α\alpha σ\sigma của gg vào LK(P)\mathscr{L}_{K}(P) sao cho:

(1) σ(xλ)zM=zλzM\sigma(x_{\lambda})z_{M} = z_{\lambda}z_{M} đối với λ≤M\lambda \leq M; (2) σ(xλ)zM≡zλzM\sigma(x_{\lambda})z_{M} \equiv z_{\lambda}z_{M} (mod. PpP_{p}) nếu MM có pp phần tử.

Theo Bổ đề 1 tồn tại một đồng cấu ff của K-môđun g⊗KPpg \otimes_{K} P_{p} vào PP thỏa mãn, với mọi pp, các điều kiện (Ap_{p}), (Bp_{p}), (Cp_{p}) (trong đó fpf_{p} được thay bởi ff). Đồng cấu này xác định một đồng cấu σ\sigma của K-môđun gg vào K-môđun LK(P)\mathscr{L}_{K}(P) và σ\sigma là một ánh xạ α\alpha do điều kiện (Cp_{p}). Cuối cùng, σ\sigma thỏa mãn các tính chất (1) và (2) của bổ đề do các điều kiện (Ap_{p}) và (Bp_{p}).

Bổ đề 3

Cho tt là một tenxơ trong Tn∩JT_{n} \cap J. Thành phần thuần nhất tnt_{n} của tt có cấp nn nằm trong hạt nhân II của đồng cấu chính tắc T→ST \to S.

Ta viết tnt_{n} dưới dạng ∑i=1rxMi\sum_{i=1}^{r} x_{M_{i}}, trong đó các MiM_{i} là các dãy gồm nn phần tử của Λ\Lambda. Ánh xạ σ\sigma mở rộng thành một đồng cấu của đại số TT vào đại số LK(P)\mathscr{L}_{K}(P) (mà ta cũng sẽ ký hiệu là σ\sigma), bằng không trên JJ. Theo Bổ đề 2, σ(t).1\sigma(t) . 1 là một đa thức mà các số hạng có bậc cao nhất là ∑i=1rzMi\sum_{i=1}^{r} z_{M_{i}}. Vì t∈Jt \in J, nên σ(t)=0\sigma(t) = 0 và do đó ∑i=1rzMi=0\sum_{i=1}^{r} z_{M_{i}} = 0 trong PP. Bây giờ PP được đồng nhất một cách chính tắc với SS, vì gg có cơ sở (xλ)(x_{\lambda}). Vì thế ảnh chính tắc của tnt_{n} trong SS là không, tức là tn∈It_{n} \in I.

Bây giờ ta có thể chứng minh Định lý 1. Cần chứng minh rằng đồng cấu chính tắc của SS lên GG là đơn ánh. Nói cách khác, nếu t∈Tnt \in T^{n} và ψ\psi ký hiệu đồng cấu chính tắc của TT lên UU, thì cần chỉ ra rằng điều kiện ψ(t)∈Un−1\psi(t) \in U_{n-1} kéo theo t∈It \in I. Mà ψ(t)∈Un−1\psi(t) \in U_{n-1} có nghĩa là tồn tại một tenxơ t′∈Tn−1t' \in T_{n-1} sao cho t−t′∈Jt - t' \in J. Tenxơ t−t′t - t' nhận tt làm thành phần thuần nhất cấp nn và do đó t∈It \in I theo Bổ đề 3.

Hệ quả 1

Giả sử rằng gg là một KK-môđun tự do. Cho WW là một K-môđun con của TnT^{n}.

Nếu, theo ký hiệu của biểu đồ (3), hạn chế của τn\tau_n trên WW là một đẳng cấu từ WW lên SnS^n, thì hạn chế của ψn\psi_n trên WW là một đẳng cấu từ WW lên một phần bù của Un−1U_{n-1} trong UnU_n.

Hạn chế trên WW của ωn∘τn\omega_n \circ \tau_n là một song ánh từ WW lên GnG^n; hạn chế θn∘ψn\theta_n \circ \psi_n trên WW cũng vậy. Do đó suy ra hệ quả.

Hệ quả 2

Nếu gg là một K-môđun tự do, thì ánh xạ chính tắc từ gg vào đại số bao của nó là đơn ánh.

Điều này suy ra từ Hệ quả 1 khi lấy W=T1W = T^1.

Khi gg là một K-môđun tự do (đặc biệt khi K là một trường), gg được đồng nhất với một môđun con của UU qua ánh xạ chính tắc từ gg vào UU. Quy ước này được chấp nhận kể từ hệ quả sau đây.

Hệ quả 3

Nếu gg có một cơ sở được sắp thứ tự toàn phần (xλ)λ∈Λ(x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda}, thì các phần tử xλ1xλ2…xλnx_{\lambda_1} x_{\lambda_2} \ldots x_{\lambda_n} của đại số bao UU, trong đó (λ1,…,λn)(\lambda_1, \ldots, \lambda_n) là một dãy hữu hạn tăng tùy ý gồm các phần tử của Λ\Lambda, tạo thành một cơ sở của K-môđun UU.

Cho Λn\Lambda_n là tập hợp các dãy tăng gồm nn phần tử của Λ\Lambda. Với M=(λ1,…,λn)∈ΛnM = (\lambda_1, \ldots, \lambda_n) \in \Lambda_n, đặt yM=xλ1⊗xλ2⊗⋯⊗xλny_M = x_{\lambda_1} \otimes x_{\lambda_2} \otimes \cdots \otimes x_{\lambda_n}. Cho WW là môđun con của TnT^n có cơ sở là (yM)M∈Λn(y_M)_{M \in \Lambda_n}. Hệ quả 1 cho thấy rằng hạn chế của ψn\psi_n lên WW là một đẳng cấu từ WW lên một phần bù của Un−1U_{n-1} trong UnU_n. Nhưng

ψn(yM)=xλ1xλ2…xλn, \psi_n(y_M) = x_{\lambda_1} x_{\lambda_2} \ldots x_{\lambda_n},

do đó có hệ quả.

Hệ quả 4

Cho S′n⊂Tn{S'}^n \subset T^n 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 S^n \to {S'}^n \to U_n

là một đẳng cấu từ không gian vectơ SnS^n lên một phần bù của Un−1U_{n-1} trong UnU_n.

Điều này suy ra từ Hệ quả 1 khi lấy W=S′nW = {S'}^n.

Từ nay giả sử rằng K là một trường có đặc số 0. Cho ηn\eta_n là ánh xạ từ SnS^n vào UnU_n vừa được định nghĩa. Đặt Un=ηn(Sn)U^n = \eta_n(S^n). Không gian vectơ UU là tổng trực tiếp của các UnU^n. Các ηn\eta_n xác định một đẳng cấu η\eta từ không gian vectơ S=∑nSnS = \sum_n S^n lên không gian vectơ U=∑nUnU = \sum_n U^n, 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:

Un↗ψn↑ηn↘θnS′nGn↘τn↗ωnSn \begin{array}{ccccc} & & U^n & & \\ & \nearrow \psi_n & \uparrow \eta_n & \searrow \theta_n & \\ {S'}^n & & & & G^n \\ & \searrow \tau_n & & \nearrow \omega_n & \\ & & S^n & & \end{array}

trong đó mỗi mũi tên biểu diễn một đẳng cấu không gian vectơ. Nếu x1,x2,…,xnx_1, x_2, \ldots, x_n thuộc gg, thì ηn\eta_n biến tích x1x2…xnx_1 x_2 \ldots x_n, tính trong SS, thành phần tử

1n!∑σ∈Snxσ(1)xσ(2)⋯xσ(n) \frac{1}{n!} \sum_{\sigma \in S_n} x_{\sigma(1)} x_{\sigma(2)} \cdots x_{\sigma(n)}

tính trong UU.

Hệ quả 5

Cho hh là một đại số con của đại số Lie gg và U′U' là đại số bao của nó. Giả sử rằng các K-môđun hh và g/hg/h là tự do (chẳng hạn nếu KK là một trường). Cho (xα)α∈L(x_\alpha)_{\alpha \in L} là một cơ sở của hh và (yβ)β∈M(y_\beta)_{\beta \in M} là một họ phần tử của gg mà các ảnh chính tắc của chúng trong g/hg/h lập thành một cơ sở của g/hg/h.

(a) *Đồng cấu chính tắc từ U′U' vào UU là đơn ánh.

(b) Nếu MM được sắp thứ tự toàn phần, thì các phần tử yβ1…yβqy_{\beta_1} \ldots y_{\beta_q}, với β1≤⋯≤βq\beta_1 \leq \cdots \leq \beta_q, lập thành một cơ sở của UU khi xem nó như một môđun trái hoặc phải trên U′U'.

Ta cho L∪ML \cup M một thứ tự toàn phần sao cho mọi phần tử của LL đều nhỏ hơn mọi phần tử của MM. Các phần tử xα1xα2…xαpx_{\alpha_1} x_{\alpha_2} \ldots x_{\alpha_p} được tính trong U′U' (trong đó α1≤⋯≤αp\alpha_1 \leq \cdots \leq \alpha_p) tạo thành một cơ sở của U′U' (Hệ quả 3). Các phần tử

xα1…xαpyβ1…yβq x_{\alpha_1} \ldots x_{\alpha_p} y_{\beta_1} \ldots y_{\beta_q}

được tính trong UU (trong đó α1≤⋯≤αp≤β1≤⋯≤βq\alpha_1 \leq \cdots \leq \alpha_p \leq \beta_1 \leq \cdots \leq \beta_q) tương tự tạo thành một cơ sở của UU. Do đó đồng cấu chính tắc của U′U' vào UU ánh xạ các phần tử của một cơ sở của U′U' thành các phần tử độc lập tuyến tính của UU và vì vậy là đơn ánh. Hơn nữa, ta thấy rằng các yβ1…yβqy_{\beta_1} \ldots y_{\beta_q} (trong đó β1≤⋯≤βq\beta_1 \leq \cdots \leq \beta_q) tạo thành một cơ sở của UU được xét như một U′U'-môđun trái. Sắp thứ tự L∪ML \cup M sao cho mọi phần tử của MM đều nhỏ hơn mọi phần tử của LL, ta thấy tương tự rằng các yβ1…yβqy_{\beta_1} \ldots y_{\beta_q} (trong đó β1≤⋯≤βq\beta_1 \leq \cdots \leq \beta_q) tạo thành một cơ sở của UU được xét như một U′U'-môđun phải.

Trong các điều kiện của Hệ quả 5, U′U' được đồng nhất với đại số con của UU sinh bởi hh nhờ đồng cấu chính tắc của U′U' vào UU.

Hệ quả 6

Giả sử rằng KK-môđun gg là tổng trực tiếp của các đại số con g1,g2,…,gng_1, g_2, \ldots, g_n và mỗi gig_i là một KK-môđun tự do. Gọi UiU_i là đại số bao phủ của gig_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n). Gọi ϕ\phi là ánh xạ tuyến tính KK của KK-môđun U1⊗K⋯⊗KUnU_1 \otimes_K \cdots \otimes_K U_n vào UU được xác định bởi ánh xạ đa tuyến tính (u1,…,un)↦u1…un(u_1, \ldots, u_n) \mapsto u_1 \ldots u_n của U1×⋯×UnU_1 \times \cdots \times U_n vào UU. Khi đó ϕ\phi là một đẳng cấu KK-môđun.

Cho (xλi)λ∈Li(x^i_{\lambda})_{\lambda \in L_i} là một cơ sở của gig_i. Ta sắp thứ tự toàn phần L1∪⋯∪LnL_1 \cup \cdots \cup L_n sao cho mọi phần tử của LiL_i đều lớn hơn mọi phần tử của LjL_j đối với i≥ji \geq j. Khi đó các phần tử:

(xλ11xλ21…xλp1)⊗⋯⊗(xv1nxv2n…xvqn), (x^1_{\lambda_1} x^1_{\lambda_2} \ldots x^1_{\lambda_p}) \otimes \cdots \otimes (x^n_{v_1} x^n_{v_2} \ldots x^n_{v_q}),

trong đó λ1≤λ2≤⋯≤λp≤⋯≤v1≤v2≤⋯≤vq\lambda_1 \leq \lambda_2 \leq \cdots \leq \lambda_p \leq \cdots \leq v_1 \leq v_2 \leq \cdots \leq v_q, tạo thành một cơ sở của U1⊗K⋯⊗KUnU_1 \otimes_K \cdots \otimes_K U_n. Chúng được ϕ\phi ánh xạ thành các phần tử:

xλ11xλ21…xλp1…xv1nxv2n…xvqn x^1_{\lambda_1} x^1_{\lambda_2} \ldots x^1_{\lambda_p} \ldots x^n_{v_1} x^n_{v_2} \ldots x^n_{v_q}

which lập thành một cơ sở của UU. 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.

Cho F = V × V × ... × V (n thừa số). Ánh xạ

(x1,…,xn)↦ux1⊗x2⊗⋯⊗xn+x1⊗ux2⊗⋯⊗xn+⋯+x1⊗x2⊗⋯⊗uxn (x_1, \ldots, x_n) \mapsto ux_1 \otimes x_2 \otimes \cdots \otimes x_n \\ + x_1 \otimes ux_2 \otimes \cdots \otimes x_n + \cdots + x_1 \otimes x_2 \otimes \cdots \otimes ux_n
của F vào ⨂nV\bigotimes^n V là đa tuyến tính. Do đó tồn tại một tự đồng cấu unu_n của ⨂nV\bigotimes^n V sao cho:
un(x1⊗⋯⊗xn)=ux1⊗⋯⊗xn+⋯+x1⊗⋯⊗uxn u_n(x_1 \otimes \cdots \otimes x_n) = ux_1 \otimes \cdots \otimes x_n + \cdots + x_1 \otimes \cdots \otimes ux_n
với mọi x1,…,xnx_1, \ldots, x_n trong V. Khi đó u1=uu_1 = u. Gọi v là tự đồng cấu của K-môđun T trùng với unu_n trên mỗi Tn=⨂nVT^n = \bigotimes^n V và bằng không trên T0=K.1T^0 = K.1. Ta chứng minh rằng v là một đạo hàm của T. Nếu x1,…,xn,y1,…,ypx_1, \ldots, x_n, y_1, \ldots, y_p là các phần tử của V, thì
v((x1⊗⋯⊗xn)⊗(y1⊗⋯⊗yp))=∑i=1nx1⊗⋯⊗xi−1⊗uxi⊗xi+1⊗⋯⊗xn⊗y1⊗⋯⊗yp+∑j=1px1⊗⋯⊗xn⊗y1⊗⋯⊗yj−1⊗uyj⊗yj+1⊗⋯⊗yp=v(x1⊗⋯⊗xn)⊗(y1⊗⋯⊗yp)+(x1⊗⋯⊗xn)⊗v(y1⊗⋯⊗yp). v((x_1 \otimes \cdots \otimes x_n) \otimes (y_1 \otimes \cdots \otimes y_p)) \\ = \sum_{i=1}^n x_1 \otimes \cdots \otimes x_{i-1} \otimes ux_i \otimes x_{i+1} \otimes \cdots \otimes x_n \otimes y_1 \otimes \cdots \otimes y_p \\ + \sum_{j=1}^p x_1 \otimes \cdots \otimes x_n \otimes y_1 \otimes \cdots \otimes y_{j-1} \otimes uy_j \otimes y_{j+1} \otimes \cdots \otimes y_p \\ = v(x_1 \otimes \cdots \otimes x_n) \otimes (y_1 \otimes \cdots \otimes y_p) + (x_1 \otimes \cdots \otimes x_n) \otimes v(y_1 \otimes \cdots \otimes y_p).
Theo tính tuyến tính, suy ra v là một đạo hàm. Tính duy nhất của v là hiển nhiên. Cuối cùng, rõ ràng unu_n giao hoán với tất cả các toán tử đối xứng trên ⨂nV\bigotimes^n V, 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 DUD_U của U sao cho σ∘D=DU∘σ\sigma \circ D = D_U \circ \sigma (nghĩa là sao cho DUD_U mở rộng D, khi g có thể được đồng nhất với một môđun con của U dưới σ). (b) DUD_U giữ ổn định UnU_n và tập hợp UnU^n gồm các ảnh trong U của các tenxơ đối xứng thuần nhất cấp n trên g.

(c) DUD_U giao hoán với phản tự đồng cấu chính tắc của UU.

(d) *Nếu DD là đạo hàm nội của gg được xác định bởi một phần tử xx của gg, DUD_U là đạo hàm nội của UU được xác định bởi σ(x)\sigma(x).

Gọi DTD_T là đạo hàm của đại số tenxơ TT của gg mở rộng DD (Bổ đề 4). Iđêan hai phía JJ của TT sinh bởi

x⊗y−y⊗x−[x,y] x \otimes y - y \otimes x - [x, y]

(x,y(x, y trong gg) là ổn định dưới DTD_T. Vì:

DT(x⊗y−y⊗x−[x,y])=Dx⊗y−y⊗Dx−[Dx,y] D_T(x \otimes y - y \otimes x - [x, y]) = Dx \otimes y - y \otimes Dx - [Dx, y]
+x⊗Dy−Dy⊗x−[x,Dy]. + x \otimes Dy - Dy \otimes x - [x, Dy].

Khi chuyển qua thương, DTD_T xác định một đạo hàm DUD_U của UU sao cho σ∘D=DU∘σ\sigma \circ D = D_U \circ \sigma. Tính duy nhất của DUD_U là ngay lập tức vì 1 và σ(g)\sigma(g) sinh đại số UU. Khẳng định (b) là hiển nhiên. Gọi AA là phản tự đồng cấu chính tắc của UU. Bây giờ chứng minh (c). Nếu x1,…,xnx_1, \ldots, x_n thuộc gg, thì

DUA(σ(x1)…σ(xn))=DU((−1)nσ(xn)…σ(x1)) D_U A(\sigma(x_1) \ldots \sigma(x_n)) = D_U((-1)^n \sigma(x_n) \ldots \sigma(x_1))
=(−1)n∑i=1nσ(xn)…DU(σ(xi))…σ(x1) = (-1)^n \sum_{i=1}^n \sigma(x_n) \ldots D_U(\sigma(x_i)) \ldots \sigma(x_1)
=(−1)n∑i=1nσ(xn)…σ(Dxi)…σ(x1) = (-1)^n \sum_{i=1}^n \sigma(x_n) \ldots \sigma(Dx_i) \ldots \sigma(x_1)
=A(∑i=1nσ(x1)…σ(Dxi)…σ(xn)) = A \left( \sum_{i=1}^n \sigma(x_1) \ldots \sigma(Dx_i) \ldots \sigma(x_n) \right)
=ADU(σ(x1)…σ(xn)). = AD_U(\sigma(x_1) \ldots \sigma(x_n)).

Sau cùng, cho x∈gx \in g. Gọi Δ\Delta là đạo hàm nội y↦σ(x)y−yσ(x)y \mapsto \sigma(x)y - y\sigma(x) của UU (Đại số, Chương IV, § 4, no. 3, Ví dụ 2). Khi đó, với x′∈gx' \in g,

(Δ∘σ)(x′)=σ(x)σ(x′)−σ(x′)σ(x)=σ([x,x′])=(σ∘ad x)(x′), (\Delta \circ \sigma)(x') = \sigma(x)\sigma(x') - \sigma(x')\sigma(x) = \sigma([x, x']) = (\sigma \circ \mathrm{ad}\, x)(x'),

do đó Δ∘σ=σ∘ad x\Delta \circ \sigma = \sigma \circ \mathrm{ad}\, x. Điều này hoàn tất chứng minh.

Áp dụng Mệnh đề 7 cho trường hợp một đại số Lie giao hoán, ta thấy rằng mọi tự đồng cấu uu của một KK-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 uu.

Ta lại lấy một đại số Lie gg trên KK và gọi DD là một đạo hàm của gg. Ta dùng các ký hiệu đã có trước đó T,S,U,GT, S, U, G. Gọi DT,DSD_T, D_S là các đạo hàm của T,ST, S mở rộng DD và gọi DUD_U là đạo hàm duy nhất của UU sao cho σ∘D=DU∘σ\sigma \circ D = D_U \circ \sigma. Vì DUD_U giữ ổn định các UnU_n, nên DUD_U xác định, khi lấy thương, một đạo hàm DGD_G của GG. Vì DUD_U và DSD_S được dẫn xuất từ DTD_T khi chuyển qua thương, biểu đồ giao hoán (3) chứng tỏ rằng DGD_G cũng có thể được dẫn xuất từ DSD_S bởi đồng cấu ω\omega được định nghĩa trong no. 6. Hơn nữa, nếu KK là một trường có đặc số 0, các đẳng cấu của biểu đồ (4) biến các hạn chế của DT,DS,DU,DGD_T, D_S, D_U, D_G trên S′n,Sn,Un,Gn{S'}^n, S^n, U^n, G^n thành nhau. Vậy nên đẳng cấu chính tắc của SS lên UU biến DSD_S thành DUD_U.

9. Mở rộng vành cơ sở

Cho gg là một đại số Lie trên KK, TT là đại số tenxơ của nó, JJ là iđêan hai phía của TT sinh bởi các x⊗y−y⊗x−[x,y]x \otimes y - y \otimes x - [x, y] (x,yx, y trong gg) và U=T/JU = T/J. Cho K1K_1 là một vành giao hoán có phần tử đơn vị và σ\sigma là một đồng cấu của KK vào K1K_1 biến 1 thành 1. Khi đó đại số tenxơ của g(K1)g_{(K_1)} được đồng nhất một cách chính tắc với T(K1)T_{(K_1)}. Gọi J′J' là iđêan hai phía của T(K1)T_{(K_1)} sinh bởi các

x′⊗y′−y′⊗x′−[x′,y′] x' \otimes y' - y' \otimes x' - [x', y']

(x′,y′x', y' trong g(K1)g_{(K_1)}). Rõ ràng ảnh chính tắc của J(K1)J_{(K_1)} trong T(K1)T_{(K_1)} được chứa trong J′J'. Để thấy rằng nó bằng J′J', chỉ cần chứng minh rằng, nếu x′x' và y′y' là hai phần tử của g(K1)g_{(K_1)}, x′⊗y′−y′⊗x′−[x′,y′]x' \otimes y' - y' \otimes x' - [x', y'] thuộc vào ảnh này. Khi đó

x′=∑ixi⊗λi,y′=∑jyj⊗μj(xi,yj trong g,λi,μj trong K1); x' = \sum_i x_i \otimes \lambda_i, y' = \sum_j y_j \otimes \mu_j \quad (x_i, y_j \text{ trong } g, \lambda_i, \mu_j \text{ trong } K_1);

do đó

x′⊗y′−y′⊗x′−[x′,y′]=∑i,j(xi⊗yj−yj⊗xi−[xi,yj])⊗λiμj x' \otimes y' - y' \otimes x' - [x', y'] = \sum_{i,j} (x_i \otimes y_j - y_j \otimes x_i - [x_i, y_j]) \otimes \lambda_i \mu_j

điều này chứng minh mệnh đề của chúng ta. Sau đó có thể thấy rằng U(K1)=(T/J)(K1)U_{(K_1)} = (T/J)_{(K_1)} được đồng nhất một cách chính tắc với T(K1)/J′T_{(K_1)}/J': đại số bao của g(K1)g_{(K_1)} được đồng nhất một cách chính tắc với U(K1)U_{(K_1)} và ánh xạ chính tắc của g(K1)g_{(K_1)} vào đại số bao của nó được đồng nhất với σ⊗1\sigma \otimes 1 (trong đó σ\sigma ký hiệu ánh xạ chính tắc của gg vào UU).

Bài tập

Xem các bài tập của § 2.

Machine translation of the English, by gpt-5-6-mini, gpt-5.4, gpt-5-6, gpt-5-mini, against glossary version 34. Not checked by a person. That model is a cut down version of the one the rest of this language was written by.