§ 7. Định lý ado
Nhắc lại rằng ký hiệu một trường có đặc số 0 và mọi đại số Lie đều được giả thiết là hữu hạn chiều trên .
1. Các hệ số của một biểu diễn
Cho U là một đại số kết hợp có phần tử đơn vị trên K, U* là đối ngẫu của không gian vectơ U và là một biểu diễn của U trên một không gian vectơ E. Với và , gọi là hệ số tương ứng của (Đại số, Chương VIII, § 13, no. 3). Nhắc lại rằng và rằng ánh xạ với cố định là một đồng cấu của U-môđun E vào U-môđun U* của biểu diễn đối chính quy của U (loc. cit., Mệnh đề 1); do đó không gian con vectơ của U* sinh bởi các hệ số của (một không gian con mà trong đoạn này chúng ta sẽ ký hiệu là ) là một dưới-U-môđun của U*. Nếu là một họ các phần tử sinh ra E* trên K, thì ánh xạ là một U-đồng cấu đơn ánh của E vào ; vì với mọi suy ra với mọi và do đó .
Đặc biệt, nếu U là đại số bao của một đại số Lie g và là một biểu diễn của g (đồng nhất với một biểu diễn của U) trên một không gian vectơ E chiều n, thì g-môđun E đẳng cấu với một g-môđun con của .
2. Định lý mở rộng
Cho là một đại số Lie là tổng trực tiếp của một iđêan và một đại số con , U là đại số bao của g và là đại số bao của . Tồn tại một và chỉ một cấu trúc môđun trên sao cho: (α) với và , ; (β) với và , (phần tử sau này chắc chắn thuộc vì đạo hàm nội của U được định nghĩa bởi x giữ ổn định và do đó giữ ổn định ). Các điều kiện (α) và (β) xác định duy nhất một ánh xạ tuyến tính từ g vào . Do đó chỉ cần kiểm tra rằng ; chỉ cần xét các trường hợp sau:
(1) : khi đó
(2) : khi đó
(3) : khi đó và là hai đạo hàm của mà các hạn chế của chúng lên trùng nhau với các hạn chế của và ; do đó các đạo hàm này bằng nhau.
Ta cũng sẽ xét biểu diễn đối ngẫu của g trên . Với , là chuyển vị của phép nhân phải bởi x trong ; do đó biểu diễn tương ứng của là biểu diễn đối chính quy của .
Định nghĩa 1
Cho là một đại số Lie, là một đại số con của và là một biểu diễn của trên . Một biểu diễn của trên được gọi là một mở rộng của lên nếu tồn tại một đồng cấu đơn cấu của -môđun vào -môđun . Ta cũng nói rằng -môđun là một mở rộng của -môđun .
Nếu là hữu hạn chiều và là một iđêan giải được của , thì điều kiện cần để tồn tại một mở rộng hữu hạn chiều là được chứa trong iđêan lũy linh lớn nhất của (§ 5, no. 3, Định lý 1).
Định lý 1 (Zassenhaus)
Cho là một đại số Lie là tổng trực tiếp của một iđêan và một đại số con , và là một biểu diễn hữu hạn chiều của mà iđêan lũy linh lớn nhất của nó chứa .
(a) Tồn tại một mở rộng hữu hạn chiều của lên mà iđêan lũy linh lớn nhất của nó chứa iđêan lũy linh lớn nhất của .
(b) Nếu với mọi thì hạn chế lên của là lũy linh, có thể chọn sao cho hơn nữa iđêan lũy linh lớn nhất của chứa .
Cho là đại số bao của . Giả sử và có các cấu trúc -môđun được xác định ở đầu no này.
Bây giờ ta chỉ ra rằng là hữu hạn chiều trên . Gọi là không gian mà trên đó tác động và là một chuỗi Jordan-Hölder của -môđun . Gọi là biểu diễn của trên dẫn xuất từ (). Gọi là giao của các hạt nhân của các (được đồng nhất với các biểu diễn của ). Khi đó
và là iđêan lũy linh lớn nhất của . Theo § 2, no. 6, Hệ quả của Mệnh đề 6, có đối chiều hữu hạn trong . Nếu , đạo hàm của ánh xạ vào , do đó ánh xạ vào và vì thế ánh xạ vào . Mặt khác, rõ ràng là một dưới--môđun của . Vậy là một dưới--môđun của . Phần trực giao của trong là một dưới--môđun hữu hạn chiều chứa và do đó chứa . Điều này chứng tỏ rằng là hữu hạn chiều trên . Với , hiển nhiên được chứa trong linh hóa tử của -môđun và do đó cũng được chứa trong linh hóa tử của -môđun .
Ta đã thấy ở no. 1 rằng -môđun đẳng cấu với một môđun con- của một tích . Do đó, -môđun cho một mở rộng hữu hạn chiều của lên . Hơn nữa, là lũy linh với ; vì là một iđêan của (do nó chứa theo giả thiết), ta thấy rằng được chứa trong iđêan lũy linh lớn nhất của . Vậy (a) được chứng minh.
Giả sử sau cùng rằng với mọi phép hạn chế lên của là lũy linh. Vì các phần tử của tác động lên bởi các phép dẫn xuất, nên với mọi và mọi tồn tại một số nguyên sao cho ; do đó các nội cấu dẫn xuất từ trên và trên (là các không gian hữu hạn chiều) đều lũy linh. Vậy là lũy linh với mọi . Ta đã thấy trước đó rằng điều này cũng đúng với . Vì là một iđêan của chứa , nên tổng cũng là một iđêan của . Mệnh đề (b) của Định lý 1 khi đó suy ra từ bổ đề sau:
Bổ đề 1
Cho là một đại số Lie là tổng của một iđêan và một đại số con . Cho là một biểu diễn hữu hạn chiều của . Giả sử rằng là lũy linh với mọi và mọi . Khi đó là lũy linh với mọi .
Chuyển qua thương theo hạt nhân của , có thể giả sử là trung thành. Khi đó và là lũy linh và do đó , là một mở rộng của một thương của bởi , là giải được. Khi đó và được chứa trong iđêan lũy linh lớn nhất của (§ 5, no. 3, Hệ quả 6 của Định lý 1).
Để có một cải tiến của Định lý 1, xem Bài tập 4.
3. Định lý ado
Mệnh đề 1
Cho là một đại số Lie, là iđêan lũy linh lớn nhất của nó, là một iđêan lũy linh của và là một biểu diễn hữu hạn chiều của sao cho mọi phần tử của đều lũy linh. Khi đó có một mở rộng hữu hạn chiều lên sao cho mọi phần tử của đều lũy linh.
Cho là một dãy các đại số con của sao cho là một iđêan của có đối chiều 1 với (§ 4, no. 1, Mệnh đề 1 (e)). Do đó đại số là tổng trực tiếp của và một đại số con 1-chiều. Vì là lũy linh với mọi , nên có thể tìm được lần lượt các mở rộng hữu hạn chiều của lên sao cho mọi phần tử của đều lũy linh.
Gọi là căn của và gọi là một dãy các đại số con của sao cho là một iđêan của có đối chiều 1 với (§ 5, no. 1, Mệnh đề 2 (d)). Do đó đại số là tổng trực tiếp của và một đại số con một chiều. Vì , nên có thể (Định lý 1) tìm lần lượt các mở rộng hữu hạn chiều của lên sao cho mọi phần tử của đều lũy linh.
Cuối cùng là tổng trực tiếp của và một đại số con (§ 6, no. 8, Định lý 5). Vì , nên có thể (Định lý 1) tìm được một mở rộng hữu hạn chiều của lên sao cho mọi phần tử của đều lũy linh.
Định lý 2
Mọi đại số Lie đều có một biểu diễn tuyến tính trung thành hữu hạn chiều.
Chính xác hơn:
Định lý 3 (Ado)
Cho là một đại số Lie và là iđêan lũy linh lớn nhất của nó. Tồn tại một biểu diễn trung thành hữu hạn chiều của sao cho mọi phần tử của đều lũy linh.
Đại số Lie hữu hạn chiều chấp nhận các biểu diễn trung thành hữu hạn chiều sao cho mọi phần tử của đều lũy linh, ví dụ biểu diễn
Dễ dàng suy ra rằng tâm của , là một tích của các đại số 1-chiều, có một biểu diễn trung thành hữu hạn chiều sao cho mọi phần tử của đều lũy linh. Cho là một mở rộng hữu hạn chiều của lên sao cho mọi phần tử của đều lũy linh (Mệnh đề 1); nếu ký hiệu hạt nhân của , thì . Mặt khác, cho là biểu diễn kề của , có hạt nhân là ; mọi phần tử của đều lũy linh. Tổng trực tiếp của và là hữu hạn chiều; mọi phần tử của đều lũy linh; và hạt nhân của , được chứa trong và trong , là không, do đó là trung thành.
Bài tập
Các quy ước của § 7 vẫn còn hiệu lực trừ khi có nói khác.
Xem các bài tập của § 7.