§ 10. Các đại số con cực đại của các đại số Lie nửa đơn
Định lý 1 016L
Cho V là một không gian vectơ hữu hạn chiều, g một đại số con Lie khả quy của gl(V),q một đại số con Lie của g và Φ dạng song tuyến tính (x,y)→ Tr(xy) trên g×g. Giả sử phần bù trực giao n của q đối với Φ là một đại số con Lie của g gồm các nội đồng cấu lũy linh của V. Khi đó q là một đại số con parabolic của g.
a)q là chuẩn hóa tử của n trong g: đặt p là chuẩn hóa tử này. Cho x∈q và y∈n; với mọi z∈q, ta có [z,x]∈q, nên
Φ([x,y],z)=Φ(y,[z,x])=0
nói cách khác, [x,y]∈n. Do đó q⊂p. Vì n là một iđêan của p gồm các nội tự đồng cấu lũy linh của V, nên P trực giao với n đối với Φ (Chap. I, no. 3, Prop. 4d)). Vì Φ không suy biến4,p⊂q, do đó mệnh đề của chúng ta.
b) Tồn tại một đại số con Lie khả quy m trong gl(V) sao cho q là tích nửa trực tiếp của m và n: gọi nV(q) là iđêan lớn nhất của q gồm các nội tự đồng cấu lũy linh của V. Khi đó nV(q) chứa n, và nó trực giao với q(loc. cit.); do đó n=nV(q). Hơn nữa, g khả quy trong gl(V) theo giả thiết, vì thế phân tích được (Chương VII, §5, no. 1, Mệnh đề 2); vì q là giao của g với bộ chuẩn hóa của n trong gl(V), nên nó là một đại số Lie phân tích được (loc. cit., Hệ quả 1 của Mệnh đề 3). Do đó, mệnh đề của chúng ta suy ra từ Mệnh đề 7 của Chương VII, §5, no. 3.
Chọn một đại số con Cartan h của m; ký hiệu g1 là hoán tập của h trong g, và đặt q1=q∩g1,n1=n∩g1.
c) Các đại số Lie g1,q1 và n1 thỏa mãn các giả thiết giống như g,q và n: vì m là khả quy trong gl(V), h giao hoán và được hợp thành bởi các nội cấu nửa đơn của V (Chương VII, §2, no. 4, Hệ quả 3 của Định lý 2). Do đó g1=g0(h) là khả quy trong g (Chương VII, §1, no. 3, Mệnh đề 11), vì thế cũng khả quy trong gl(V) (Chương I, §6, no. 6, Hệ quả 2 của Mệnh đề 7). Hiển nhiên là n1 được hợp thành
4 Gọi z là phần bù trực giao của g đối với Φ; đây là một iđêan của g được chứa trong n, nên mọi phần tử của z đều lũy linh. Biểu diễn đồng nhất của g là nửa đơn (Chương I, §6, Hệ quả 1 của Mệnh đề 7). Do đó z=0 (Chương I, §4, no. 3, Bổ đề 2). của các nội cấu lũy linh của V. Vì h là một đại số con của q, khả quy trong gl(V), nên biểu diễn phụ hợp của h trên q là nửa đơn; theo phép dựng, q1 là tập hợp các bất biến của adq(h), nên q=q1+[h,q] (Chương I, §3, no. 5, Mệnh đề 6). Vì
Φ(g1,[h,q])=Φ([h,g1],q)=0
một phần tử của g1 trực giao với q1 khi và chỉ khi nó trực giao với q; do đó, n1=g1∩n là phần bù trực giao của q1 trong g1.
d) Đại số con Cartan h của m là một đại số con Cartan của g: Ta có q=m⊕n và h=m∩g1, nên ngay lập tức có q1=h⊕n1. Hơn nữa, [h,n1]=0,h giao hoán và n1 lũy linh, nên đại số Lie q1 lũy linh. Theo a) và c),q1 là chuẩn hóa tử của n1 trong g1; a fortiori,q1 bằng chuẩn hóa tử của chính nó trong g1, do đó là một đại số con Cartan của g1. Vì g1 khả quy trong gl(V), suy ra từ Hệ quả 3 của Định lý 2 của Chương VII, §2, no. 4, rằng q1 gồm các nội tự đồng cấu nửa đơn của V; do đó, vì n1 gồm các nội tự đồng cấu lũy linh của V, ta có n1=0. Do đó, h=q1 là một đại số con Cartan của g1, và vì g1 chuẩn hóa h, ta có h=g1. Vậy, ta đã chứng minh rằng mọi phần tử của h là một phần tử nửa đơn của g, và rằng hoán tập của h trong g bằng h; suy ra h=g0(h), nên h là một đại số con Cartan của g.
e)q là một đại số con parabolic của g: theo điều vừa nói trước đó, h là một đại số con Cartan của g,n gồm các phần tử lũy linh của g, và [h,n]⊂n. Cho k là một bao đóng đại số của k; theo định nghĩa, q là parabolic trong g khi và chỉ khi k⊗kq là một đại số con parabolic của k⊗kg. Vì các tính chất đã nêu ở trên được bảo toàn qua mở rộng vô hướng, nên để chứng minh ta có thể tự giới hạn vào trường hợp h là tách. Gọi R là hệ nghiệm của (g,h); theo Mệnh đề 2 (v) của §3, no. 1, tồn tại một tập con P của R sao cho P∩(−P)=∅ và n=∑α∈Pgα.
Cho P′ là tập hợp các nghiệm α sao cho −α∈/P; ta có P′∪(−P′)=R, và phần bù trực giao q của n trong g bằng h+∑α∈P′gα. Ta có
đã chứng minh rằng q là parabolic. Q.E.D.
Cho g là một đại số Lie nửa đơn, V là một không gian vectơ hữu hạn chiều, ρ là một biểu diễn tuyến tính của g trên V, D là một không gian con vectơ của V,h là một đại số con Cartan của g,s là (resp. s′) tập hợp các x∈h sao cho ρ(x)D⊂D (resp. ρ(x)D=0), và Φ là dạng song tuyến tính trên g liên kết 5 với ρ.
(i) Nếu h là tách, thì các không gian con vectơ s và s′ của h là hữu tỉ trên Q.
(ii) Nếu ρ là đơn ánh, thì hạn chế của Φ lên s (tương ứng lên s′) là không suy biến.
Giả sử rằng đại số con Cartan h là tách. Gọi d là chiều của D; đặt W=⋀d(V) và σ=⋀d(ρ); cũng ký hiệu bởi (e1,...,ed) một cơ sở của D và e=e1∧⋯∧ed là một d-vectơ phân tích được liên kết với D. Gọi P là tập hợp các trọng số của σ đối với h; ký hiệu bởi Wμ không gian con của
5 Nói cách khác, Φ(x,y)= Tr(ρ(x)ρ(y)) với x,y∈g. W liên kết với trọng số μ, và đặt e=∑μ∈Peμ (với eμ∈Wμ với mọi
μ∈P); sau cùng, gọi P′ là tập hợp các trọng số μ sao cho eμ=0 và gọi P′′ là tập hợp các hiệu của các phần tử của P′. Cho x thuộc h; khi đó x thuộc s khi và chỉ khi tồn tại c trong k sao cho ρ(x).e=c.e (Chương VII, §5, no. 4, Bổ đề 2 (i)). Vì ρ(x).eμ=μ(x).eμ, ta thấy rằng x∈s tương đương với quan hệ “μ(x)=0 for all μ∈P′′ ”. Bây giờ, cấu trúc Q của h là không gian con vectơ trên Q hQ của h được sinh bởi các đối căn Hα và mọi μ trong P′′ đều nhận các giá trị hữu tỉ trên hQ; suy ra (Đại số, Chương II, §8, no. 4, Mệnh đề 5) rằng s là một không gian con của h hữu tỉ trên Q.
Với mọi trọng số μ∈P, gọi pμ là phép chiếu lên Vμ liên kết với phân tích V=⨁μ∈PVμ; ký hiệu bởi P1 tập hợp các μ∈P sao cho
pμ(D)=0. Hiển nhiên s′ là giao của các hạt nhân (trong h) của các phần tử của P1; do đó, theo cùng một cách như đối với s, s′ là một không gian con của h hữu tỉ trên Q. Điều này chứng minh (i).
Bằng phép mở rộng vô hướng, chỉ cần chứng minh (ii) khi k đóng đại số, do đó khi h tách. Cho m là một không gian con vectơ của h hữu tỉ trên Q; với mọi x khác không trong mQ=m∩hQ, ta có Φ(x,x)>0 theo Hệ quả của Mệnh đề 1 của §7, no. 1. Hạn chế của Φ lên mQ là không suy biến, và do đó hạn chế của Φ lên m cũng vậy vì m đẳng cấu chính tắc với k⊗QmQ.
Định nghĩa 1 016N
Cho q là một đại số con Lie của đại số Lie nửa đơn g. Khi đó người ta nói q là phân tích được trong g nếu, với mọi x∈q, các thành phần nửa đơn và lũy linh của x trong g thuộc q. Ký hiệu ng(q) là tập hợp các phần tử x của căn của q sao cho adgx là lũy linh.
Cho ρ là một biểu diễn đơn ánh của g trên một không gian vectơ V hữu hạn chiều. Ta biết (Chap. I, §6, no. 3, Định lý 3) rằng một phần tử x của g là nửa đơn (resp. lũy linh) nếu và chỉ nếu tự đồng cấu ρ(x) của V là nửa đơn (resp. lũy linh). Suy ra ngay lập tức rằng đại số q là phân tích được trong g nếu và chỉ nếu ρ(q) là một đại số con phân tích được của gl(V) theo nghĩa của Định nghĩa 1 của Chap. VII, §5, no. 1. Với các ký hiệu của Chap. VII, §5, no. 3, ta cũng có
ρ(ng(q))=nV(ρ(q))
Định lý 2 016O
Cho g là một đại số Lie nửa đơn, n là một đại số con của g gồm các phần tử lũy linh, q là bộ chuẩn hoá của n trong g. Giả sử rằng n là tập hợp các phần tử lũy linh của căn của q. Khi đó q là parabolic.
Trước hết, chú ý rằng q là phân tích được (Ch. VII, §5, no. 1, Hệ quả 1 của Mệnh đề 3). Theo Định lý 1, chỉ cần chứng minh rằng q là phần bù trực giao n0 của n đối với dạng Killing Φ của g. Ta biết rằng q⊂n0 (Ch. I, §4, no. 3, Mệnh đề 4d)). Theo Ch. VII, §5, no. 3, Mệnh đề 7, tồn tại một đại số con m của q, khả quy trong g, sao cho q là tích nửa trực tiếp của m và n. Ta sẽ chỉ ra rằng hạn chế của Φ trên m là không suy biến. Gọi c là tâm của m. Ta có Φ([m,m],c)=0 theo Ch. I, §5, no. 5, Mệnh đề 5, và hạn chế của Φ trên [m,m] là không suy biến theo Ch. I, §6, no. 1, Mệnh đề 1. Còn lại phải xét rằng hạn chế của Φ trên c là không suy biến. Gọi k là một đại số con Cartan của [m,m]; khi đó k⊕c là giao hoán và khả quy trong g. Gọi h là một đại số con Cartan của g chứa k⊕c (Ch. VII, §2, no. 3, Mệnh đề 10). Khi đó h∩q là một đại số con giao hoán của q chứa k⊕c, và adqx là nửa đơn với mọi x∈h∩q; do đó h∩q được chứa trong một đại số con Cartan h′ của q (Ch. VII, §2, no. 3, Mệnh đề 10); gọi f là phép chiếu của q lên m với hạt nhân n; khi đó f(h′) là một đại số con Cartan của m (Ch. VII, §2, no. 1, Hệ quả 2 của Mệnh đề 4) chứa k⊕c, và do đó bằng k⊕c; điều này chứng minh rằng f(h∩q)=k⊕c, và vì mọi phần tử của h đều là nửa đơn trong g, ta có h∩q=k⊕c. Vậy,
c={x∈h∣[x,n]⊂n và [x,[m,m]]=0}.
Theo Bổ đề 1, hạn chế của Φ trên c là không suy biến.
Gọi q0 là trực giao bù của q trong g đối với Φ. Điều đi trước chứng minh rằng q∩q0=n. Giả sử q=q0, khi đó q0=n (và q0⊃n). Vì adgn để q ổn định, adgn để q0 ổn định; định lý Engel chứng minh rằng tồn tại x∈q0 sao cho x∈/n và [x,n]⊂n. Nhưng khi đó x∈q0∩q=n, mâu thuẫn. Vậy q=n0.
Hệ quả 1 016P
Cho q là một phần tử cực đại của tập hợp các đại số con của g phân biệt với g. Khi đó q hoặc là parabolic hoặc là khả quy trong g.
Ta có thể giả sử rằng g là một đại số Lie con của gl(V) đối với một không gian vectơ hữu hạn chiều nào đó V. Gọi e(q)⊂g là bao phân tích được của q. Nếu e(q)=g,q là một iđêan của g (Chương VII, §5, no. 2, Mệnh đề 4), do đó là nửa đơn, và vì thế q là khả quy trong g. Giả sử rằng e(q)=g. Khi đó e(q)=q, nên q là phân tích được. Giả sử rằng q không khả quy trong g. Gọi n là tập hợp các phần tử lũy linh của căn của q. Khi đó n=0 (Chương VII, §5, no. 3, Mệnh đề 7 (i)). Gọi p là bộ chuẩn hóa của n trong g. Khi đó p⊃q, và p=g vì g là nửa đơn. Vậy p=q. Do đó q là parabolic (Định lý 1).
Hệ quả 2 016Q
Cho n là một đại số con của g gồm các phần tử lũy linh. Tồn tại một đại số con parabolic q của g có các tính chất sau:
(i) n⊂ng(q);
(ii) chuẩn hóa tử của n trong g được chứa trong q;
(iii) mọi tự đẳng cấu của g giữ n bất biến đều giữ q bất biến.
Nếu g là phân rã được, thì n được chứa trong một đại số con Borel của g.
Cho q1 là bộ chuẩn hóa của n trong g. Đây là một đại số con phân tích được của g. Đặt n1=ng(q1). Định nghĩa quy nạp qi là bộ chuẩn hóa của ni−1 trong g, và ni bằng ng(qi). Các dãy (n,n1,n2,...) và (q1,q2,...) là tăng. Tồn tại j sao cho qj=qj+1, nói cách khác qj là bộ chuẩn hóa của ng(qj) trong g. Do đó qj là parabolic (Định lý 1). Ta có n⊂nj= ng(qj), và q1⊂qj; mọi tự đẳng cấu của g để n bất biến hiển nhiên cũng để n1,n2,... và q1,q2,... bất biến. Nếu g phân rã được, qj chứa một đại số con Borel b, và do đó (§3, no. 4, Mệnh đề 13), ta có b⊃ng(qj)⊃n.
Định lý 3 016R
Giả sử rằng k đóng đại số. Cho g là một đại số Lie nửa đơn. Cho a là một đại số con giải được của g. Tồn tại một đại số con Borel của g chứa a.
Theo Chương VII, §5, no. 2, Hệ quả 1 (ii) của Mệnh đề 4, ta có thể giả sử rằng a phân tích được. Tồn tại một đại số con giao hoán t của g, gồm các phần tử nửa đơn, sao cho a là tích nửa trực tiếp của t và ng(a) (Chương VII, §5, no. 3, Hệ quả 2 của Mệnh đề 6). Tồn tại (Hệ quả 2 của Định lý 2) một đại số con parabolic q của g sao cho ng(a)⊂ng(q), và sao cho chuẩn hóa tử của ng(a) trong g được chứa trong q; a fortiori,a⊂q. Gọi b là một đại số con Borel của g được chứa trong q và h là một đại số con Cartan của g được chứa trong b. Khi đó h là một đại số con Cartan của q, nên tồn tại s∈ Aute(q) sao cho s(t)⊂h (Chương VII, §2, no. 3, Mệnh đề 10 và Chương VII, §3, no. 2, Định lý 1). Ta có s(ng(q))=ng(q) (Chương VII, §3, no. 1, Nhận xét 1), nên
s(a)=s(t)+s(ng(a))⊂h+s(ng(q))=h+ng(q)⊂b
Nếu k đóng đại số, mọi đại số con giải được cực đại của g đều là một đại số con Borel.
Bài tập
Xem các bài tập cho § 10.