Bourbaki

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§ 2。 例 / 代数

在本段中,A 表示交换环。

1. 内同态代数

令 B 为结合律 A-代数,其中单位元用 1 表示,并令 M 为右B-模。我们知道,B 的环 E=EndB(M)E = \mathrm{End}_B(M) 还有模结构超过中心。现在 A 的同态 h:α↦α.1h : \alpha \mapsto \alpha . 1 的像包含在 B 的中心中(§ 1, no. 1);因此 hh 给出 E A-模结构。此外,对于 E 中的 α∈A\alpha \in A 和 f,gf, g,

α(f∘g)=f∘(αg)=(αf)∘g; \alpha(f \circ g) = f \circ (\alpha g) = (\alpha f) \circ g;

因此,E 中的乘法和 E 上的 A-模结构定义是 E 上的联想 A-代数结构; M 的恒等映射是这个代数的单位元。

2. 矩阵元素

设 B 是 B (II, § 10, no. 7) 上阶 n 的平方矩阵的酉结合 A-代数和 Mn(B)\mathbf{M}_n(B) 集合。那么Mn(B)\mathbf{M}_n(B)有由α.(bij)=(αbij)\alpha . (b_{ij}) = (\alpha b_{ij})(α∈A,bij∈B,1≤i≤n,1≤j≤n\alpha \in A, b_{ij} \in B, 1 \leq i \leq n, 1 \leq j \leq n)定义的A-模结构;这个结构和矩阵乘法定义是Mn(B)\mathbf{M}_n(B)上的单位联想A-代数结构。 Mn(B)\mathbf{M}_n(B)到EndB(Bdn)\mathrm{End}_B(B_d^n)(II, § 10, no. 7)的规范双射是A-代数同构。

当B=AB = A、A-代数Mn(A)\mathbf{M}_n(A)承认矩阵单位(II, § 10, no. 3)的典范基(Eij)(E_{ij})由……组成时; 相应的乘法表是

EijEhk=δjhEik. E_{ij} E_{hk} = \delta_{jh} E_{ik}.

单位元 InI_n 等于 ∑i=1nEii\sum_{i=1}^n E_{ii}。

3. 二次代数

令α,β\alpha, \beta为A的两个元素和A2A^2的(e1,e2)(e_1, e_2)典范基。 A 上的型 (α,β)(\alpha, \beta) 的二次代数为 A-模 A2A^2,其中代数结构由乘法表 (§ 1, no. 7) 定义

e12=e1,e1e2=e2e1=e2,e22=αe1+βe2. e_1^2 = e_1, \quad e_1 e_2 = e_2 e_1 = e_2, \quad e_2^2 = \alpha e_1 + \beta e_2.

与二次代数同构的A-代数E也称为二次代数。这相当于说 E 承认两个元素中的基,其中一个是单位元。

可以证明,每个允许两个元素中的基的单位A-代数都是二次代数(习题1)。

如果A-代数的基(e1,e2)(e_1, e_2)有乘法表(2),则称为型(α,β)(\alpha, \beta)的基。通过滥用语言,当基为型 (α,β)(\alpha, \beta) 时,二次代数被称为型 (α,β)(\alpha, \beta)。

命题 1 05YX

二次代数 E 是结合律和交换律。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 II § 7. 。 向量空间, 推论, II § 7

被以下引用 例

E 是可交换的,这一事实由 (2) 中的方程 e1e2=e2e1e_1 e_2 = e_2 e_1 得出;类似地,要验证结合性,只要看到当x,y,zx, y, z分别等于e1e_1或e2e_2时,x(yz)=(xy)zx(yz) = (xy)z就足够了。现在,如果元素 x,y,zx, y, z 至少有一个等于e1e_1,则关系是显而易见的;对于 x=y=z=e2x = y = z = e_2 也是如此,因为 E 是可交换的; 从而命题。

令ee表示二次代数E的单位元,令(e,i)(e, i)为型(α,β)(\alpha, \beta)E的基;因此,E 包含于 ee 的每隔一个基都是形式 (e,j)(e, j) 和 j=γe+δij = \gamma e + \delta i(II, § 7, no. 2,命题 3 的推论);此外,要使(e,j)(e, j)成为E的基,δ\delta在A中可逆是充分必要的; 条件显然已经足够了;反之,如果E/AeE/Ae、iˉ\bar{i}和jˉ=δiˉ\bar{j} = \delta \bar{i}中iˉ\bar{i}是ii典范像,则必须E/AeE/Ae、从而各形式、基的必要性条件。然后

j2=(γ2+αδ2)e+(2γδ+βδ2)i=(αδ2−γ2−βγδ)e+(2γ+βδ)j; j^2 = (\gamma^2 + \alpha \delta^2)e + (2\gamma \delta + \beta \delta^2)i = (\alpha \delta^2 - \gamma^2 - \beta \gamma \delta)e + (2\gamma + \beta \delta)j;

由此可知E为型

(αδ2−γ2−βγδ,2γ+βδ) (\alpha \delta^2 - \gamma^2 - \beta \gamma \delta, 2\gamma + \beta \delta)

对于所有可逆的δ∈A\delta \in A和所有γ∈A\gamma \in A。特别是,如果 EE 为型 (α,2β′)(\alpha, 2\beta'),则 ii 也为型 (α+β′2,0)(\alpha + {\beta'}^2, 0),如取 γ=−β′\gamma = -\beta' 和 δ=1\delta = 1 所示。

命题 2 05YY

设EE为二次AA代数,ee为单位元。对于所有u∈Eu \in E,令T(u)T(u)为自由AA-模块EE(II, § 4, no. 3)的自同态mu:x↦uxm_u : x \mapsto ux的踪迹。那么对于所有 u∈Eu \in E,由 s(u)=T(u).e−us(u) = T(u).e - u 定义的映射 ss 是代数 EE 和 s2(u)=us^2(u) = u 的自同构。

引用了 3 · 被以下引用 1

引用了 II § 4. 。 关系张量积和同态模之间, 命题 3, II § 4, III § 8. 。决定因素

被以下引用 例

设(e,i)(e, i)为型(α,β)(\alpha, \beta)EE基;然后T(e)=2T(e) = 2,当s(e)=es(e) = e,以及T(i)=βT(i) = \beta,从而s(i)=βe−is(i) = \beta e - i。因此,(e,s(i))(e, s(i))是EE的基,其型由(3)与γ=β\gamma = \beta和δ=−1\delta = -1给出,这又给出(α,β)(\alpha, \beta);由此可见,ss 是代数 EE 中的自同构。由于AA模块EE的ms(u)=smus−1m_{s(u)} = s m_u s^{-1}、自同态mum_u和ms(u)m_{s(u)}具有相同的迹线(II, § 4, no. 3、命题3)、从而

s2(u)=T(u).e−s(u)=T(u).e−(T(u).e−u)=u s^2(u) = T(u).e - s(u) = T(u).e - (T(u).e - u) = u

对于所有u∈Eu \in E。

自同构 ss 称为AA代数EE的*共轭*和s(u)s(u)uu的*共轭*。

如果u=ξe+ηiu = \xi e + \eta i,AA中有ξ,η\xi, \eta,则s(u)=(ξ+βη)e−ηis(u) = (\xi + \beta \eta)e - \eta i,从而

(4)

T(u)e=u+s(u)=(2ξ+βη)e T(u)e = u + s(u) = (2\xi + \beta \eta)e
(5)
u.s(u)=(ξ2+βξη−αη2)e=N(u)e u.s(u) = (\xi^2 + \beta \xi \eta - \alpha \eta^2)e = N(u)e

我们写了N(u)=ξ2+βξη−αη2N(u) = \xi^2 + \beta \xi \eta - \alpha \eta^2。 元素T(u)T(u)和N(u)N(u)(或者,当AA和AeAe被规范识别时,元素T(u)eT(u)e和N(u)eN(u)e)分别称为uu的*trace*和*范数*。

当β=0\beta = 0时,上面的公式简化为

(6)

s(ξe+ηi)=ξe−ηi,T(ξe+ηi)=2ξ,N(ξe+ηi)=ξ2−αη2. s(\xi e + \eta i) = \xi e - \eta i, \quad T(\xi e + \eta i) = 2\xi, \quad N(\xi e + \eta i) = \xi^2 - \alpha \eta^2.

显然,TT是EE*上的*线性形式*,并且*NN是EE(IX, § 3, no. 4)*上的*二次形式*。由于 EE 是可交换和结合的,因此从 (5) 可以得出:

(7)

N(uv)=N(u)N(v). N(uv) = N(u)N(v).

对于uu在*EE中*可逆,N(u)N(u)在*AA中*可逆是充分必要的。因为,作为N(e)=1N(e) = 1,条件的必要性由(7)得出,写作v=u−1v = u^{-1}。相反,如果 N(u)N(u) 在 AA 中是可逆的,则从 (5) 可以得出 uu 是可逆的,并且

(8)

u−1=(N(u))−1s(u). u^{-1} = (N(u))^{-1}s(u).

可以证明N(u)N(u)是自同态mum_u的行列式(§ 8, no. 1)(cf.§ 9 no. 3,例1)

以下命题给出二次代数与交换域的结构:

命题 3 05YZ

设 E 为型* (α,β)(\alpha, \beta) 的二次A-代数。

引用了 1

引用了 V § 3. 。代数扩张

(i) 如果 A 是域并且包含没有元素 ζ\zeta 使得 ζ2=α+βζ\zeta^2 = \alpha + \beta \zeta,*E 是(可交换的)域* (cf. V, § 3)。

(ii) 如果环 A 包含元素 ζ\zeta 使得 ζ2=α+βζ\zeta^2 = \alpha + \beta \zeta 且 β−2ζ\beta - 2\zeta 可逆(分别零),*E 与* A ×\times A 同构的。为型 (0,0))(0, 0))。

我们证明(i)。设ξ,η\xi, \eta是A和u=ξe+ηiu = \xi e + \eta i的两个元素。如果η≠0\eta \neq 0并且我们写θ=−ξη−1\theta = -\xi \eta^{-1},那么通过(5)可以得到N(u)=η2(θ2−βθ−α)\mathrm{N}(u) = \eta^2 (\theta^2 - \beta \theta - \alpha),通过A上的假设可以得到从而N(u)≠0\mathrm{N}(u) \neq 0;如果η=0\eta = 0,则N(u)=ξ2\mathrm{N}(u) = \xi^2。无论如何,如果u≠0u \neq 0,则N(u)≠0\mathrm{N}(u) \neq 0,因此N(u)\mathrm{N}(u)在A中可逆,因此uu在E中可逆。

我们现在证明(ii)。 代数 A ×\times 的典范基 (e1,e2)(e_1, e_2) A 的型 (0,1)(0, 1)。我们已经看到 (公式 (3)) E 的值是型

(αδ2−γ2−βγδ,2γ+βδ) (\alpha \delta^2 - \gamma^2 - \beta \gamma \delta, 2\gamma + \beta \delta)

对于A中所有γ∈A\gamma \in A和所有δ\delta可逆。如果β−2ζ\beta - 2\zeta可逆,则取δ=(β−2ζ)−1\delta = (\beta - 2\zeta)^{-1}和γ=−ζ(β−2ζ)−1\gamma = -\zeta (\beta - 2\zeta)^{-1};然后 2γ+βδ=12\gamma + \beta \delta = 1 和

αδ2−γ2−βγδ=δ2(α−ζ2+βζ)=0; \alpha \delta^2 - \gamma^2 - \beta \gamma \delta = \delta^2 (\alpha - \zeta^2 + \beta \zeta) = 0;

因此E是型(0,1)(0, 1),因此与A×\timesA同构。如果β−2ζ=0\beta - 2\zeta = 0,已经指出E是型(α+ζ2,0)(\alpha + \zeta^2, 0),因此从α+ζ2=2ζ2−βζ=0\alpha + \zeta^2 = 2\zeta^2 - \beta \zeta = 0开始是型(0,0)(0, 0)。

型 (0,0)(0, 0) 的二次方 A-代数也称为 A 上的对偶数* 的 *代数。

4. 凯利代数

定义 1 05Z0

Cayley 代数 over* A 是有序对 (E, s),*其中* E 是代数 over A 与单位元 e 和 s 是 E *的反自同构,使得

被以下引用 1

被以下引用 VIII § 19. 。 四元数代数

u+s(u)∈Aeandu.s(u)∈Ae u + s(u) \in Ae \quad \text{and} \quad u.s(u) \in Ae

对于所有人u∈Eu \in E。

ss 被称为 Cayley 代数 (E, s) 的*共轭* 和 s(u)s(u) uu 的 共轭。 条件 u+s(u)∈Aeu + s(u) \in Ae 意味着 uu 和 s(u)s(u) 是*可改变的*。我们写

(9)

T(u)=u+s(u) T(u) = u + s(u)
(10)
N(u)=u.s(u)=s(u).u N(u) = u.s(u) = s(u).u

子代数 AeAe的这些元素分别称为uu的*凯莱迹*和*范数*。

二次代数 E 的有序对由……组成及其共轭 s(这是反自同构,因为 E 是可交换的)(no. 3) 是凯莱代数。

令 (E, s) 为凯莱代数;如s(e)=e, s(u+s(u))=u+s(u)s(e) = e,\ s(u + s(u)) = u + s(u),其他字s(u)+s2(u)=u+s(u)s(u) + s^2(u) = u + s(u)或也

s2(u)=u s^2(u) = u

因此 s2s^2 是 E 的恒等映射。 由此可知

T(s(u))=T(u),N(s(u))=N(u). T(s(u)) = T(u), \quad N(s(u)) = N(u).

最后,关系(u−u)(u−s(u))=0(u - u)(u - s(u)) = 0给出

u2−T(u).u+N(u)=0 u^2 - T(u).u + N(u) = 0

对于所有u∈Eu \in E。

命题 4 05Z1

设 E 为 A-代数,并且 s 和 s' E 的反自同构,使得 (E, s) 和 (E, s') 为 Cayley 代数。如果 E 承认基包含单位元 e,则 s' = s.

显然 s′(u)=s(u)=us'(u) = s(u) = u 对于所有u∈Aeu \in Ae。如果 T, N(分别为 T', N')是迹,并且范数函数对于 (E, s)(分别为 (E, s')),则从 (13) 可以得出

(T(u)−T′(u)).u−(N(u)−N′(u))=0. (T(u) - T'(u)).u - (N(u) - N'(u)) = 0.

设 B 为 E 包含 e 的基,且不同于 e 的 B 的 u 元素;然后T(u)−T′(u)=0T(u) - T'(u) = 0,从而s(u)=s′(u)s(u) = s'(u)。由于 B 上的 s 和 s' 重合相等。

接下来,我们写uˉ=s(u)\bar{u} = s(u),这样

{u+uˉ=T(u),uuˉ=uˉu=N(u),uˉ=uu+v=uˉ+vˉ,αu=αuˉ,uv=vˉ.uˉ \left\{\begin{array}{lll} u + \bar{u} = T(u), & u\bar{u} = \bar{u}u = N(u), & \bar{u} = u \\ u + v = \bar{u} + \bar{v}, & \alpha u = \alpha \bar{u}, & uv = \bar{v}.\bar{u} \end{array}\right.

对于E中的u,vu, v,α∈A\alpha \in A;而且

T(e)=2e,N(e)=e. T(e) = 2e, \quad N(e) = e.

来自公式

T(uv)=uv+uv‾=uv+vˉ.uˉ=uv+(T(v)−v)(T(u)−u), T(uv) = uv + \overline{uv} = uv + \bar{v}.\bar{u} = uv + (T(v) - v)(T(u) - u),

我们推断

uv+vu=T(u)v+T(v)u+(T(uv)−T(u)T(v)) uv + vu = T(u)v + T(v)u + (T(uv) - T(u)T(v))

从而,交换uu和vv,

T(vu)=T(uv). T(vu) = T(uv).

另一方面,N(u+v)=(u+v)(uˉ+vˉ)=N(u)+N(v)+T(uvˉ)N(u + v) = (u + v)(\bar{u} + \bar{v}) = N(u) + N(v) + T(u\bar{v})、从而

(18)

T(vuˉ)=T(uvˉ)=N(u+v)−N(u)−N(v). T(v\bar{u}) = T(u\bar{v}) = N(u + v) - N(u) - N(v).

现在,将 (16) 应用的 uu 替换为 uˉ\bar{u} 给出

T(uvˉ)=T(u)T(v)+uˉv+vuˉ−T(u)v−T(v)uˉ=T(u)T(v)−uv−vˉ.uˉ; T(u\bar{v}) = T(u)T(v) + \bar{u}v + v\bar{u} - T(u)v - T(v)\bar{u} = T(u)T(v) - uv - \bar{v}.\bar{u};
从而

(19)

T(vuˉ)=T(uvˉ)=N(u+v)−N(u)−N(v)=T(u)T(v)−T(uv). T(v\bar{u}) = T(u\bar{v}) = N(u + v) - N(u) - N(v) = T(u)T(v) - T(uv).

最后,对于所有α∈A\alpha \in A来说,显然,

(20)

N(αu)=α2N(u); N(\alpha u) = \alpha^2 N(u);
特别是 N(2u)=4N(u)N(2u) = 4N(u),因此公式 (19) 给出

(21)

(T(u))2−T(u2)=2N(u). (T(u))^2 - T(u^2) = 2N(u).

显然,TT 是(Ae)(Ae)-模块EE 上的线性形式。由于(u,v)↦T(vuˉ)(u, v) \mapsto T(v\bar{u})在此模上是双线性形式,*从(18)和(20)得出NN是二次形式(cf.IX, § 3, no. 4)。*

5. 凯利的构造代数。四元数

令(E,s)(E, s)为AA上的凯莱代数,为此我们将使用no. 4的记号,并令γ∈A\gamma \in A。令FF为代数超过AA,其底层模为E×EE \times E,其乘法定义为

(22)

(x,y)(x′,y′)=(xx′+γyˉ′y,yxˉ′+y′x); (x, y)(x', y') = (xx' + \gamma \bar{y}'y, y\bar{x}' + y'x);
显然(e,0)(e, 0)是FF的单位元,E×{0}E \times \{0\}是FF的子代数,与EE同构的;我们将在下文中*认同*它与EE,以便x∈Ex \in E与(x,0)(x, 0)标识,特别是ee与FF的单位元标识。

令 tt 为 FF 的置换定义为

(23)

t((x,y))=(xˉ,−y)(x∈E,y∈E). t((x, y)) = (\bar{x}, -y) \quad (x \in E, y \in E).

命题 5 05Z2

(i) 有序对 (F,t)(F, t) 是 Cayley 代数超过 AA。

被以下引用 3

被以下引用 命题 3, III Appendix 0, 命题 4, III Appendix 0, 例

(ii) 设 j=(0,e)j = (0, e),因此 (x,y)=xe+yj(x, y) = xe + yj 对应 x∈E,y∈Ex \in E, y \in E。凯莱迹以及 FF 的范数 TFT_F 和 NFN_F 由公式 给出

(24)

TF(xe+yj)=T(x),NF(xe+yj)=N(x)−γN(y). T_F(xe + yj) = T(x), \quad N_F(xe + yj) = N(x) - \gamma N(y).

(iii) 要使 FF 具有结合性,EE 具有结合性和交换性是必要且充分的。

对于(x,y)∈F(x, y) \in \mathbf{F},

(x,y)+t((x,y))=(x+x‾,0)=T(x)e (x, y) + t((x, y)) = (x + \overline{x}, 0) = T(x)e
(25)
(x,y)t((x,y))=(x,y)(x‾,−y)=(xx−γy‾y,yx‾−yx)=(N(x)−γN(y),0)=(N(x)−γN(y))e. (x, y)t((x, y)) = (x, y)(\overline{x}, -y) = (xx - \gamma \overline{y}y, y\overline{x} - yx) = (\mathrm{N}(x) - \gamma \mathrm{N}(y), 0) = (\mathrm{N}(x) - \gamma \mathrm{N}(y))e.
(26)

因此,为了证明 (i) 和 (ii),只需证明 tt 是 F\mathbf{F} 的反自同构。显然 tt 是 A 线性双射。另一方面,

t((x,y)⋅(x′,y′))=t((xx′+γy‾′y,yx‾′+y′x))=(x‾′x‾+γy‾y′,−yx‾−y′x)=(x‾′,−y′)(x‾,−y)=t((x′,y′))t((x,y)) t((x, y) \cdot (x', y')) = t((xx' + \gamma \overline{y}'y, y\overline{x}' + y'x)) = (\overline{x}'\overline{x} + \gamma \overline{y}y', -y\overline{x} - y'x) = (\overline{x}', -y')(\overline{x}, -y) = t((x', y'))t((x, y))
因此 tt 是一个反自同构。

仍有待证明(iii)。由于 E 与 F 的子代数相同,因此可以假设 E 是结合的。令 u=(x,y)u = (x, y), u′=(x′,y′)u' = (x', y'), u′′=(x′′,y′′)u'' = (x'', y'') 为 F 的元素,则

{(uu′)u′′=((xx′+γy‾′y)x′′+γy‾′′(y‾x′+y′x),(uu′)u′′=(yx‾′+y′x)x‾′′+y′′(xx′+γy‾′y))u(u′u′′)=(x(x′x′′+γy‾′′y′)+(γ(x′′y‾′+x‾′y‾′′)y,u(u′u′′)=y(x‾′′x‾′+γy‾′y′′)+(y′x‾′′+y′′x′)x). \begin{cases} (uu')u'' = ((xx' + \gamma \overline{y}'y)x'' + \gamma \overline{y}''(\overline{y}x' + y'x), \\ \phantom{(uu')u'' = } (y\overline{x}' + y'x)\overline{x}'' + y''(xx' + \gamma \overline{y}'y)) \\ u(u'u'') = (x(x'x'' + \gamma \overline{y}''y') + (\gamma(x''\overline{y}' + \overline{x}'\overline{y}'')y, \\ \phantom{u(u'u'') = } y(\overline{x}''\overline{x}' + \gamma \overline{y}'y'') + (y'\overline{x}'' + y''x')x). \end{cases}
(27)

检查这些公式表明,E的交换律意味着F的结合性。相反,如果F是结合律,公式(27)与y=y′=0y = y' = 0、x′′=0x'' = 0和y′′=ey'' = e应用的,得到(0,x′x)=(0,xx′)(0, x'x) = (0, xx'),即x′x=xx′x'x = xx'对于 E 中的所有 x,x′x, x';因此 E 是可交换的。

注另外,在上面的记号中,对于E中的x,yx, y,

yj=jy‾,x(yj)=(yx)j,(xj)y=(xy‾)j,(xj)(yj)=y‾xe yj = j\overline{y}, \quad x(yj) = (yx)j, \quad (xj)y = (x\overline{y})j, \quad (xj)(yj) = \overline{y}xe
(28)
j2=e. j^2 = e.
(29)

Cayley 代数 (F,t)(\mathbf{F}, t) 被称为* (E,s)(\mathbf{E}, s) *定义的 *Cayley 扩张 由 γ\gamma 定义。

例 05Z3

(1) 如果我们取E=A\mathbf{E} = \mathbf{A}(因此s=1As = 1_A),则代数F\mathbf{F}是一个*二次A-代数*,其中基(e,j)(e, j),其中j2=γej^2 = \gamma e。

(2) 取E为型* (α,β)(\alpha, \beta)的*二次代数,使得E的底层模为A2\mathbf{A}^2,乘法表 (2) (no. 3)为典范基。取 s 为 E (no. 3, 命题 2) 的共轭。那么,对于所有γ∈A\gamma \in \mathbf{A},由γ\gamma定义的(E,s)(\mathbf{E}, s)的Cayley扩张F称为型*(α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma)的*四元数代数,它与no. 3、命题1和命题*结合* 5以上;它的底层模是A4\mathbf{A}^4,如果(e,i,j,k)(e, i, j, k)表示A4\mathbf{A}^4的典范基,则相应的乘法表由下式给出

{i2=αe+βi,ij=k,ik=αj+βk,ji=βj−k,j2=γe,jk=βγe−γi,ki=−αj,kj=γi,k2=−αγe. \left\{\begin{array}{lll} i^2 = \alpha e + \beta i, & ij = k, & ik = \alpha j + \beta k, \\ ji = \beta j - k, & j^2 = \gamma e, & jk = \beta \gamma e - \gamma i, \\ ki = -\alpha j, & kj = \gamma i, & k^2 = -\alpha \gamma e. \end{array}\right.
(30)

此外,对于u=ρe+ξi+ηj+ζku = \rho e + \xi i + \eta j + \zeta k(ρ,ξ,η,ζ\rho, \xi, \eta, \zeta位于A\mathbf{A}中),我们有(写为uˉ\bar{u}而不是t(u)t(u),并用Ae\mathbf{Ae}识别A\mathbf{A}):

{u=(ρ+βξ)e−ξi−ηj−ζkTF(u)=2ρ+βξNF(u)=ρ2+βρξ−αξ2−γ(η2+βηζ−αζ2). \left\{ \begin{array}{l} u = (\rho + \beta \xi)e - \xi i - \eta j - \zeta k \\ T_F(u) = 2\rho + \beta \xi \\ N_F(u) = \rho^2 + \beta \rho \xi - \alpha \xi^2 - \gamma (\eta^2 + \beta \eta \zeta - \alpha \zeta^2). \end{array} \right.

公式 (30) 由 (28) 和 (29) 得出,公式 (31) 由 (23) 和 (24) 得出,考虑到二次代数 E 的公式。

那么,对于 F 中的 u,vu, v,

NF(uv)=NF(u)NF(v) N_F(uv) = N_F(u)N_F(v)

对于NF(uv)=uv.uv‾=uv(v‾.u‾)=u(vv‾)u‾=(uu‾)(vv‾)N_F(uv) = uv.\overline{uv} = uv(\overline{v}.\overline{u}) = u(v\overline{v})\overline{u} = (u\overline{u})(v\overline{v}),凭借结合性以及F的NF(u)N_F(u)属于至中心这一事实。

与四元数代数同构的A-代数也称为*四元数代数*;如果这样的代数中的基有乘法表(30),则称为型*(α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma)的*基。通过滥用语言,当基为型 (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma) 时,四元数代数被称为*型* (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma)。

当 β=0\beta = 0, 公式 (30) 和 (31) 简化为

{i2=αe,ij=k,ik=αj,ji=−k,j2=γe,jk=−γi,ki=−αi,kj=γi,k2=−αγe, \left\{ \begin{array}{lll} i^2 = \alpha e, & ij = k, & ik = \alpha j, \\ ji = -k, & j^2 = \gamma e, & jk = -\gamma i, \\ ki = -\alpha i, & kj = \gamma i, & k^2 = -\alpha \gamma e, \end{array} \right.

和

{uˉ=ρe−ξi−ηj−ζkTF(u)=2ρNF(u)=ρ2−αξ2−γη2+αγζ2. \left\{ \begin{array}{l} \bar{u} = \rho e - \xi i - \eta j - \zeta k \\ T_F(u) = 2\rho \\ N_F(u) = \rho^2 - \alpha \xi^2 - \gamma \eta^2 + \alpha \gamma \zeta^2. \end{array} \right.

然后,在上面的表达式中,(α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma)就被替换为(α,γ)(\alpha, \gamma)。 型(α,γ)(\alpha, \gamma)和(γ,α)(\gamma, \alpha)的四元数代数*同构*是直接的。

注公式 (32) 证明当 −1≠1-1 \neq 1 位于A\mathbf{A} 时,F 不可交换。

取A为实数和α=γ=−1,β=0\alpha = \gamma = -1, \beta = 0中的域R\mathbf{R},相应的代数F称为哈密顿四元数*的*代数,记为H\mathbf{H}。如果u=ρe+ξi+ηj+ζku = \rho e + \xi i + \eta j + \zeta k(R\mathbf{R}中的ρ,ξ,η,ζ\rho, \xi, \eta, \zeta)是H\mathbf{H}中的元素≠0\neq 0,则公式uuˉ=uˉu=ρ2+ξ2+η2+ζ2u\bar{u} = \bar{u}u = \rho^2 + \xi^2 + \eta^2 + \zeta^2(cf.(34))表明R\mathbf{R}中的N(u)≠0N(u) \neq 0,所以uu 承认 H\mathbf{H} 中有一个*逆* u−1=N(u)−1uˉu^{-1} = N(u)^{-1}\bar{u},因此 H\mathbf{H} 是一个*非交换域*。

(3) 如果 E 取四元数代数 (cf. 例 2),则由元素 δ∈A\delta \in \mathbf{A} 定义的 E 的凯莱扩张一般是不结合的

(命题5);它被称为 A 上的八元数代数 (cf. 附录, no. 3)。

引用了 3

引用了 命题 1, 命题 2, 命题 5

6. 代数岩浆,幺半群,群

回想一下,岩浆的大小为集合,其中律为合成 (I, § 1, no. 1)。设 S 为乘法写成的岩浆,设 E = A^{(S)} 为 S 的元素形式线性组合 A-模 (II, § 1, no. 11);我们知道典范映射 s \mapsto e_s 被 S 定义为 A^{(S)},这样族 (e_s)_{s \in S} 就是 A^{(S)} 的基(称为规范),A^{(S)} 的每个元素都被唯一地写在形式 ∑s∈Sαses\sum_{s \in S} \alpha_s e_s,其中(\alpha_s)是有限支撑的A的元素族。然后 A-代数结构在 E 上定义为乘法表 of 典范基

eset=est. e_s e_t = e_{st}.

这样定义的代数 E 称为 A 上的岩浆 S 的代数。如果 x=∑s∈Sξsesx = \sum_{s \in S} \xi_s e_s 和 y=∑s∈Sηsesy = \sum_{s \in S} \eta_s e_s 是 E 的两个元素,则

xy=∑s∈S(∑tu=sξtηu)es. xy = \sum_{s \in S} \left( \sum_{tu = s} \xi_t \eta_u \right) e_s.

当 S 是幺半群(分别群)时,E 称为幺半群(分别群)S 在 A 上的代数;那么它是一个结合词代数 (§ 1, no. 7);类似地,当S是交换幺半群时,它的代数是结合律和交换律的。最后,如果岩浆S承认单位元素u,则eue_u是代数E的单位元;由于元素 eue_u 是自由的,因此 A 可以用 E 的子代数 Ae_u 来标识。

当 A \neq \{0\} 时,S 的有时与其在单射 s \mapsto e_s 下的像一致,因此 E 的元素写为 ∑s∈Sαss\sum_{s \in S} \alpha_s s;但当 S 被附加地写入时,这种识别是不可能的(不会引起混乱)。那么也经常写ese^s来代替ese_s。

设B为另一个交换环和ρ:A→B\rho : A \to B环同态;考虑 A 和 B 上相同岩浆 S 的代数 E = A^{(S)} 和 E' = B^{(S)},并令 (es)s∈S(e_s)_{s \in S} 和 (es′)s∈S(e'_s)_{s \in S} 分别为它们各自的规范基。 代数 B^{(S)} 在 A-线性映射 j 下被规范地识别,使得 j(es⊗1)=es′j(e_s \otimes 1) = e'_s 对于所有 s∈Ss \in S,其中代数 A^{(S)} \otimes_A B 通过将标量的环扩展到 B 而从 A^{(S)} 获得(II, § 1, no. 11,推论3 至命题 17)。

命题 6 05Z4

令 S 为岩浆,F A-代数和 f 同态

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 推论 3, II § 1, E IV § 3. 普遍映射

被以下引用 推论, 例, 命题 7

S 转化为 F,仅具有乘法结构。那么存在且仅有一个 A-代数同态 fˉ:A(S)→F\bar{f}: A^{(S)} \to F 渲染交换图表

S→fF∣∣A(S)→fˉF \begin{array}{ccc} S & \xrightarrow{f} & F \\ | & & | \\ A^{(S)} & \xrightarrow{\bar{f}} & F \end{array}

(其中左侧的垂直箭头是典范映射 s↦ess \mapsto e_s)。

设fˉ:A(S)→F\bar{f}: A^{(S)} \to F是唯一的A-模同态,使得fˉ(es)=fˉ(s)\bar{f}(e_s) = \bar{f}(s)(II, § 1, no. 11,推论3到命题17);只需验证fˉ\bar{f}是代数同态,为此,只需证明fˉ(eset)=fˉ(es)fˉ(et)\bar{f}(e_s e_t) = \bar{f}(e_s) \bar{f}(e_t),它紧随定义和假设f(st)=f(s)f(t)f(st) = f(s)f(t)。

命题 6 表示A(S)A^{(S)}和典范映射s↦ess \mapsto e_s的有序对由……组成是普遍映射问题的解(集合理论,IV, § 3, no. 1),其中Σ\Sigma是A-代数结构的类以及 S 的 α\alpha 映射同态到 A-代数的乘法律。

推论 05Z5

令S、S'为两块岩浆且g:S→S′g: S \to S'同态。那么存在且仅有一个 A-代数同态 u:A(S)→A(S′)u: A^{(S)} \to A^{(S')} 渲染交换图表

S→gS′∣∣A(S)→uA(S′) \begin{array}{ccc} S & \xrightarrow{g} & S' \\ | & & | \\ A^{(S)} & \xrightarrow{u} & A^{(S')} \end{array}
引用了 2

引用了 命题 6, I § 1. 。 律合成; 结合性; 交换律

(其中垂直箭头是典范映射)。

应用命题 6 取ff作为复合映射S→gS′→A(S′)S \xrightarrow{g} S' \to A^{(S')}就足够了。

特别是,如果 T 是岩浆 S (I, § 1, no. 4) 的稳定子集,则A(S)A^{(S)}的元素∑s∈Tαses\sum_{s \in T} \alpha_s e_s的集合是A(S)A^{(S)}的子代数,与代数A(T)A^{(T)}自然同构,并且有时等同于后者。

例 05Z6

令 V 为A-模,S 是一个作用于左侧 V 的幺半群;这意味着(I, § 5, no. 1)将S的映射(s,x)↦s.x(s, x) \mapsto s.x放入V中,使得s.(x+y)=s.x+s.y,s.(αx)=α(s.x)s.(x + y) = s.x + s.y, s.(\alpha x) = \alpha(s.x)和s.(t.x)=(st).xs.(t.x) = (st).x用于S中的s,ts, t,x,yx, y用于V和α∈A\alpha \in A,并且用e表示S 的单位元素,e.x = x,对于 x ∈ V。将 f(s)(x) = s.x,f 是将 S 的同态写入代数 End_A(V)(仅包含其乘法律),映射单位元素 e 到单位元 l_V。得到应用命题 6、A-代数同态 fˉ:A(S)→EndA(V)\bar{f}: A^{(S)} \to \mathrm{End}_A(V),这给出了 A(S)A^{(S)} 上V 左模结构的底层群。

这使我们能够通过约化研究群与运算符的交换模。让 M 是一个可交换的群,其运算符是加法编写的,所有的外法则都是乘法编写的。令Ω\Omega为M上各个外法则的算子域的和集合(集合理论,II, § 4, no. 8),这些域中的每一个都被规范地标识为Ω\Omega的子集。令Mo(Ω\Omega)为在Ω\Omega上构造的自由幺半群(I § 7, no. 2); 律共作用

(s,x)↦s.x (s, x) \mapsto s.x

定义在 M 上,以 Mo(Ω\Omega) 作为算子域,通过 Mo(Ω\Omega) 中字 s 的长度上的归纳定义;如果 s 为长度 0,则它是空的字 e,我们为所有 x∈Mx \in M 写为 e.x=xe.x = x。如果x为长度n≥1n \geq 1,则可以唯一地写为s=tus = tu,其中u为长度n−1n - 1,t为长度1,因此t∈Ωt \in \Omega;然后我们写s.x=t.(u.x)s.x = t.(u.x)。对于任何两个字 s,Mo(Ω\Omega) 中的 s′s',关系 s.(s′.x)=(ss′).xs.(s'.x) = (ss').x 由 s 的长度上的归纳验证。

然后如上所述的应用方法,在M上得到左Z(Mo(Ω))\mathbf{Z}^{(Mo(\Omega))}模结构,并且不费力地验证了带有算子的群理论中通常的概念(稳定的子群,同态)与可交换的带有算子的群和由此关联的模是相同的和他们在一起。

引用了 4

引用了 I § 5. 。 群运行于集合, 命题 6, III § 7. 。外观代数, E II § 4. 集合家庭的并和交

7. 免费代数

定义 2 05Z7

令I为集合;设 M(I)(分别为 Mo(I)、分别为 N(I)\mathbf{N}^{(I)})表示源自 I 的自由岩浆(分别为自由幺半群、自由交换幺半群)。 M(I)(或 Mo(I)、或 N(I)\mathbf{N}^{(I)})在 A 上的代数被称为自由代数(或自由结合律代数、或自由交换结合律代数(或者,滥用语言,自由结合律代数,或自由交换结合律代数) 交换代数)) 的集合 I 超过环 A.

被以下引用 3

被以下引用 习题 6, § 1, 习题 13, § 1, LIE II § 3. 。包容代数免费李代数

我们将用 Lib_A(I)(分别为 Libas_A(I)、分别为 Libasc_A(I))来表示 A 上的 I 的自由代数(分别为自由结合代数、分别为自由交换代数)。将 I 的典范映射组合成 M(I)(分别为 Mo(I)、分别为 N(I)\mathbf{N}^{(I)}) 和 M(I) 的典范映射(分别为 Mo(I)、分别为 N(I)\mathbf{N}^{(I)}) Lib_A(I)(分别为 Libas_A(I)、分别为 Libasc_A(I)),将 I 转换为 Lib_A(I)(分别为 Libas_A(I)、分别为典范映射) Libasc_A(I)),如果 A≠{0}A \neq \{0\} 则它是单射的。我们将在典范映射下用XiX_i表示元素i∈Ii \in I的像,并且我们将说XiX_i是Lib_A(I)(或Libas_A(I))的指标i的不确定。 Libasc_A(I))。

由于 Mo(I) 和 N(I)\mathbf{N}^{(I)} 各有单位元素,因此 Libas_A(I) 和 Libasc_A(I) 是单位结合律代数,并且 Libasc_A(I) 是可交换的。 If e is the unit element of Libas_A(I) (resp. Libasc_A(I)), the mapping α↦αe\alpha \mapsto \alpha e is an isomorphism of A onto a subring of the centre of Libas_A(I) (resp. Libasc_A(I)), which is identified with A (no. 1).

命题 7 05Z8

设 I 为集合,F 代数(分别为单位结合律代数,分别为单位交换结合律代数)。对于每一个映射 f:I→Ff : I \to F,存在且仅有一个同态(分别为单位结合律代数)。将 Lib_A(I)(分别为 Libas_A(I)、分别为 Libasc_A(I))的同态) fˉ\bar{f} 转换为 F,使得 fˉ(Xi)=f(i)\bar{f}(X_i) = f(i) 对于所有 i∈Ii \in I。

引用了 2 · 被以下引用 6

引用了 I § 7. 。免费幺半群,免费群, 命题 6

被以下引用 § 2. 。 例 / 代数, 例, 定理 1, III § 5, 定理 1, III § 6, LIE II § 2. 。免费李代数, 命题 1, LIE II § 5

令 FmF_m 为通过将集合 F 与合成相乘得到的律所获得的岩浆(或幺半群)。在 FmF_m 中存在且仅有一个 M(I)(分别为 Mo(I)、分别为 N(I)\mathbf{N}^{(I)})的同态(分别为单位同态)gg,使得 g(i)=f(i)g(i) = f(i) 对于所有 i∈Ii \in I(I, § 7, 1、2 和 7 号);然后从 no. 6、命题 6 得出命题 7。

注 05Z9

(1) 我们稍后将 Libas_A(I) 的定义同构放到自由模 A(I)A^{(I)} (§ 5, no. 5) 的张量代数上,并将 Libasc_A(I) 的同构放到对称矩阵上代数共 A(I)A^{(I)} (§ 6, no. 6)。

(2) 令ρ\rho为A到交换环B的单位同态。 正如所见 (§ 2, no. 6),同构 σ\sigma 是从 Lib_B(I)(分别是 Libas_B(I)、分别是 Libasc_B(I))的 ρ\rho 派生到代数 (LibA(I))(B)(\mathrm{Lib}_A(I))_{(B)}(分别是(LibasA(I))(B)(\mathrm{Libas}_A(I))_{(B)}、(LibascA(I))(B)(\mathrm{Libasc}_A(I))_{(B)}) 通过将标量扩展到 B 通过 ρ\rho 获得;如果 XiA,XiBX_i^A, X_i^B 分别是 A 和 B 的指标 ii 相应的的不定式,则σ(XiB)=XiA⊗1\sigma(X_i^B) = X_i^A \otimes 1。

(3) 令J为I中的子集;我们知道 M(J) 被岩浆 M(I) 的稳定子集识别,因此 (no. 6) Lib_A(J) 被规范地识别为 Lib_A(I) 的子代数,由 XiX_i 生成,使得 i∈Ji \in J;据说 Lib_A(J) 的元素中仅出现指标属于到 J 的不定式。岩浆的代数的no. 6中给出的定义表明,当J穿过I的*有限*子集的集合时,Lib_A(I)是子代数Lib_A(J)有向族的并。 Libas_A(I) 和 Libasc_A(I) 也有类似的结果。

(4) M(I)(分别为 Mo(I)、N(I)\mathbf{N}^{(I)})的元素 s 与其 长度 l(s)l(s) 相关联,即整数 ⩾1\geqslant 1(分别为 ⩾0\geqslant 0),使得l(ss′)=l(s)+l(s′)l(ss') = l(s) + l(s')(I, § 7,第 1、2 和 7 号)。如果 ese_s 是 Lib_A(I)(分别为 Libas_A(I)、分别为 Libasc_A(I))相应的到 s 的元素,则*总计次数*(或简称为 次数)当 s 运行时,Lib_A(I)(分别为 Libas_A(A)、Libasc_A(I))的元素 x=∑sαses≠0x = \sum_s \alpha_s e_s \neq 0 为数 l(s)l(s) 的最大的(假设非空) 元素中的集合,使得αs≠0\alpha_s \neq 0对于例,如果i,j,ki, j, k是I中的三个不同的元素,则元素(Xi(XjXk))Xi−(XiXj)(XkXi)(X_i(X_jX_k))X_i - (X_iX_j)(X_kX_i)是总数中的元素≠0\neq 0。 Lib_A 中的次数 4(I)。

引用了 4

引用了 III § 5. 。 张量代数、张量, III § 6. 。对称代数, § 2. 。 例 / 代数, I § 7. 。免费幺半群,免费群

8. 生成元和关系的代数的定义

设F是A上的代数,并且(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}是F的元素族。通过no. 7,命题7,存在唯一同态f:LibA(I)→Ff : \mathrm{Lib}_A(I) \to F,使得f(Xi)=xif(X_i) = x_i对于所有i∈Ii \in I。为了使ff是满射,(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}是F的生成的系统是充分必要的。

如果U∈LibA(I)U \in \mathrm{Lib}_A(I),则f(U)f(U)被称为从U导出的F的*元素,通过用元素xix_i代替不定数XiX_i*,或者也称为U的*值*代替不定数的值xix_i XiX_i;通常用U((xi)i∈I)U((x_i)_{i \in I})表示;特别是U((Xi)i∈I)=UU((X_i)_{i \in I}) = U。如果λ\lambda是F的同态到A上的代数F′F',那么

λ(U((xi)i∈I))=U((λ(xi))i∈I). \lambda(U((x_i)_{i \in I})) = U((\lambda(x_i))_{i \in I}).

特别考虑F=LibA(J)F = \mathrm{Lib}_A(J)的情况,其中J是另一个集合;对于LibA(J)\mathrm{Lib}_A(J)元素每个家庭(Hi)i∈I(H_i)_{i \in I}和A-代数F′F'元素每个家庭(yj′)j∈J(y_j')_{j \in J},

U((Hi)i∈I))((yj′)j∈J)=U((Hi((yj′)j∈J)))i∈I). U((H_i)_{i \in I}))((y_j')_{j \in J}) = U((H_i((y_j')_{j \in J})))_{i \in I}).
(37)

在上面的记号中,LibA(I)\mathrm{Lib}_A(I)的每个元素U使得U((xi)i∈I)=0U((x_i)_{i \in I}) = 0,或者也使得f(U)=0f(U) = 0,被称为F中族(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}的*关系子*。这些元素的双面理想Ker(f)\mathrm{Ker}(f)由……组成被称为*(xi)(x_i)的关系者的理想。

设(Rj)j∈J(R_j)_{j \in J}是元素和LibA(I)\mathrm{Lib}_A(I)的家庭。如果(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}是F的生成的系统,并且由RjR_j生成的LibA(I)\mathrm{Lib}_A(I)的双面理想等于(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}家族关系者的理想,则((xi)i∈I,(Rj)j∈J)((x_i)_{i \in I}, (R_j)_{j \in J})被称为代数F的*呈现*; xix_i 称为演示文稿的 生成元,RjR_j 称为演示文稿的*相关者*。

现在考虑任何集合 I 和(Rj)j∈J(R_j)_{j \in J} 元素 LibA(I)\mathrm{Lib}_A(I)。 (Rj)(R_j)族生成的双边理想与LibA(I)\mathrm{Lib}_A(I)的商代数E称为由关系族*(Rj)j∈J(R_j)_{j \in J}相关的生成的系统I定义的*通用代数。显然,如果X‾i\overline{X}_i表示E中XiX_i的像,

((X‾i)i∈I,(Rj)j∈J) ((\overline{X}_i)_{i \in I}, (R_j)_{j \in J})
此外,如果(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}是代数F和Rj((xi)i∈I)=0R_j((x_i)_{i \in I}) = 0的元素族,对于所有j∈Jj \in J,存在唯一同态g:E→Fg : E \to F,使得g(X‾i)=xig(\overline{X}_i) = x_i对于所有i∈Ii \in I;对于 ((xi)i∈I,(Rj)j∈J)((x_i)_{i \in I}, (R_j)_{j \in J}) 是 F 的表示,gg 是*双射的*是必要且充分的。

这些注证明了以下滥用语言的合理性:而不是说“((xi)i∈I,(Rj)j∈J)((x_i)_{i \in I}, (R_j)_{j \in J})是F的呈现”,还说“F是由生成元xix_i生成的代数受制于关系Rj((xi)i∈I)=0R_j((x_i)_{i \in I}) = 0”。当RjR_j为形式Pj−QjP_j - Q_j时,也称“F是由xix_i服从关系Pj((xi))=Qj((xi))P_j((x_i)) = Q_j((x_i))生成的代数”。

设H为集合;我们可以说,LibA(H)\mathrm{Lib}_A(H)的元素S是A-代数的*通用*关系器,对于F的元素的*每个*系列(xh)h∈H(x_h)_{h \in H},F是S((xh)h∈H)=0S((x_h)_{h \in H}) = 0,其中H作为索引集合。

例 05ZA

(1)取H={1,2,3}H = \{1, 2, 3\}; 代数承认

(X1X2)X3−X1(X2X3) (X_1 X_2) X_3 - X_1 (X_2 X_3)
作为通用关系词的是联想词代数。承认X1X2−X2X1X_1 X_2 - X_2 X_1为万能关系子的代数是交换代数。 *代数承认通用关系器 X1X1X_1 X_1 并且
(X1X2)X3+(X2X3)X1+(X3X1)X2 (X_1 X_2) X_3 + (X_2 X_3) X_1 + (X_3 X_1) X_2
作为通用关系器是李代数.

令I为集合;给定 Lib_A(H) 的元素的族 (Sk)k∈K(S_k)_{k \in K},并考虑形式 Sk((Uh))h∈HS_k((U_h))_{h \in H} 的 Lib_A(I) 的元素集合 T,其中 k 穿过 K,对于每个 k,(Uh)h∈H(U_h)_{h \in H} 穿过集合 Lib_A(I)的元素族,以H为索引集合;考虑一个家庭(Rj)j∈J(R_j)_{j \in J},其中T为集合或元素。然后设F为(Rj)j∈J(R_j)_{j \in J}相关的生成的系统I定义的通用代数,并令u:LibA(I)→Fu : \mathrm{Lib}_A(I) \to F为典范同态,这样Ker(u)由元素Sk((Uh)h∈H)S_k((U_h)_{h \in H})为所有k∈Kk \in K和所有家族生成Lib_A(I)元素(Uh)h∈H(U_h)_{h \in H};显然,每个SkS_k(k∈Kk \in K)都是F的*通用关系器*。现在让F'为代数,承认生成的系统(xi)i∈I(x_i)_{i \in I},其中每个SkS_k都是一个通用关系器,并让u′:LibA(I)→F′u' : \mathrm{Lib}_A(I) \to F'为同态使得u′(Xi)=xiu'(X_i) = x_i对于所有i∈Ii \in I;显然 Ker(u) ⊂\subset Ker(u') ,因此 u′u' 可以唯一地写成形式 u′=h∘uu' = h \circ u,其中 h:F→F′h : F \to F' 是同态,使得 h(X‾i)=xih(\overline{X}_i) = x_i 对于所有 i∈Ii \in I。因此,F 被称为*通用代数,由生成的系统 I*、*相应的定义为通用关系器* (Sk)k∈K(S_k)_{k \in K}。通过滥用语言,F 被有时称为由 I 生成的通用代数,并服从于 F 的元素的每个家庭 (uh)h∈H(u_h)_{h \in H} 的*身份* Sk((uh))=0S_k((u_h)) = 0。

例* 2. 设L'为I生成的通用代数,并服从于L'的每个三口之家元素的恒等式(uv)w−u(vw)=0(uv)w - u(vw) = 0,并令L''为代数获得毗邻单位元至 L';那么在 Libas_A(I) 上存在一个唯一的 L'' 同构 g,使得对于所有 i∈Ii \in I 都有 g(X‾i)=Xig(\overline{X}_i) = X_i。因为显然 L'' 是结合律,同态 g 的存在源自 L' 的定义和其前面的注;但显然L''满足泛性质(no. 7,命题7),这表征了Libas_A(I),从而结论。

与上述类似的考虑可以应用于结合律代数(分别是交换结合律代数),同时考虑以下注。当上下文充分表明代数被认为是统一的代数时,通过滥用语言,代数FF的元素(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}家族,使得子代数由xix_i(i∈Ii \in I)生成,并且单位元等于FF,常称为FF的生成的系统。然后令FF是AA上的统一结合律代数,并让(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}是元素和FF的族;凭借no. 7、命题 7,存在唯一的单位同态f:LibasA(I)→Ff : \mathrm{Libas}_A(I) \to F,使得f(Xi)=xif(X_i) = x_i对于所有i∈Ii \in I;如果U∈LibasA(I)U \in \mathrm{Libas}_A(I),f(U)f(U)也称为FF的元素,由UU派生,用元素xix_i代替不定式XiX_i,也用U((xi)i∈I)U((x_i)_{i \in I})表示。然后关系器、表示和通用关系器的概念立即转到联想代数;只要替换LibA(I)\mathrm{Lib}_A(I)一直到LibasA(I)\mathrm{Libas}_A(I)就足够了。 由关系族相关的生成的系统 I 定义的通用单位结合律代数 (Rj)j∈J(R_j)_{j \in J} 是(Rj)(R_j) 族生成的双边理想对LibasA(I)\mathrm{Libas}_A(I) 的商代数。由生成的系统 II、相应的生成的全称单位结合律代数也有类似的定义。我们留给读者的任务是陈述相对于交换结合律代数的类似定义,并用LibascA(I)\mathrm{Libasc}_A(I)替代LibasA(I)\mathrm{Libas}_A(I)。

引用了 1

引用了 命题 7

例 3 05ZB

令 L′L' 为由 II 生成的通用单位结合律代数,并服从于 L′L' 的两个元素的每个家庭的恒等式 uv−vu=0uv - vu = 0。可以看出,如*例 2* 所示,L′L' 与LibascA(I)\mathrm{Libasc}_A(I) 是规范同构的。

9. 多项式代数

令BB为单位*交换*结合律AA-代数,并令(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}为BB的元素族;由xix_i(i∈Ii \in I)和单位元生成的BB的子代数用A[(xi)i∈I]BA[(x_i)_{i \in I}]_B表示,或者在不会引起混淆的情况下简单地用A[(xi)i∈I]A[(x_i)_{i \in I}]表示。因此,对于每个集合II,代数LibascA(I)\mathrm{Libasc}_A(I)等于A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}](也用A[Xi]i∈IA[X_i]_{i \in I}表示);后一个记号,它的优点是表明记号被选择来表示不定,是我们在本文的其余部分中通常使用的。 A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}] 的元素称为*不定式中的多项式* XiX_i (i∈Ii \in I) 系数为 AA;按照惯例,当说“让A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]是多项式代数”时,XiX_i总是被理解为不定式。对于II的每个子集JJ,使用上述记号相当于将LibascA(J)\mathrm{Libasc}_A(J)与由指标i∈Ji \in J的XiX_i生成的LibascA(I)\mathrm{Libasc}_A(I)的代数进行识别,并且单位元(cf.no. 7,*注(3)*)。对于 I={1,2,…,n}I = \{1, 2, \ldots, n\},我们写为 A[X1,X2,…,Xn]A[X_1, X_2, \ldots, X_n] 而不是 A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]。

如果II和I′I'是两个等价的集合,则代数、LibascA(I)\mathrm{Libasc}_A(I)和LibascA(I′)\mathrm{Libasc}_A(I')是同构的。 A[X]A[X] 通常用于表示多项式代数相应的到未指定的索引集合,其中*单个* 元素,XX 表示唯一的不定式;类似地,A[X,Y]A[X, Y]、A[X,Y,Z]A[X, Y, Z]、... 用于表示未指定索引集合的多项式代数相应的,其中 2、3、... 元素。 注,根据上述约定,如果A≠{0}A \neq \{0\},则A[X]A[X]和A[Y]A[Y]适用于例(不同)子代数或A[X,Y,Z]A[X, Y, Z]。

元素

Xν=∏i∈IXiν(i), X^\nu = \prod_{i \in I} X_i^{\nu(i)},
其中 ν\nu 穿过多项式代数 A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}] 的 N(I)\mathbf{N}^{(I)} 形式基。这些元素在不定式XiX_i中称为*单项式*,数∣ν∣=∑i∈Iν(i)|\nu| = \sum_{i \in I} \nu(i)称为单项式XνX^\nu的*次数*(或*总计次数*)。 次数 0 的唯一单项式是A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]的单位元;它通常被识别为单位元 1 of AA。 A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}] 的每个多项式 uu 都可以唯一地写为
u=∑ν∈N(I)ανXν u = \sum_{\nu \in \mathbf{N}^{(I)}} \alpha_\nu X^\nu
与 αν∈A\alpha_\nu \in A; 元素 αν\alpha_\nu、零,除了指标 ν∈N(I)\nu \in \mathbf{N}^{(I)} 的有限数之外,被称为 uu 的*系数*; 元素ανXν\alpha_\nu X^\nu被称为uu的*项*(元素ανXν\alpha_\nu X^\nu常被称为“XνX^\nu中的项”);特别是项α0X0\alpha_0 X^0(用α0∈A\alpha_0 \in A标识)被称为uu的*常数项*。如果JJ是II的子集,uu属于到A[(Xi)i∈J]A[(X_i)_{i \in J}]当且仅当αν=0\alpha_\nu = 0对于ν∉N(J)\nu \notin \mathbf{N}^{(J)}。由此可见,A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]是子代数A[(Xi)i∈J]A[(X_i)_{i \in J}]的并,其中JJ贯穿II的有限子集的集合。如果 αν=0\alpha_\nu = 0 对应 ∣ν∣>n|\nu| > n,则 uu 被认为是 次数 ≤n\leq n 的多项式。当αν=0\alpha_\nu = 0时,(通过滥用语言)uu据说是*包含,在*XνX^\nu中没有项;特别是,当 α0=0\alpha_0 = 0 时,uu 被称为多项式*,没有常数项*。

对于每个*非零*多项式u=∑ανXνu = \sum \alpha_\nu X^\nu,uu的*次数*(或*总计次数*)是多索引ν\nu的整数∣ν∣|\nu|的最大的,使得αν≠0\alpha_\nu \neq 0。

令FF为单位结合AA代数,并令(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}为FF的元素族,它们是*成对可置换*。由 xix_i 和单位元生成的 FF 的子代数 F′F' 是可交换的 (§ 1, no. 7),这使得我们能够定义用 xix_i 代替多项式 u∈A[(Xi)i∈I]u \in A[(X_i)_{i \in I}] 中的 XiX_i(尽管FF不一定是可交换的):u((xi)i∈I)u((x_i)_{i \in I})是F′F'的元素,因此FF和h:u→u((xi)i∈I)h: u \to u((x_i)_{i \in I})是A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]到FF的同态。 hh的核的元素是A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]族(xi)(x_i)的关系因子,也称为xix_i之间的*多项式关系因子*(系数在AA)。 同态 hh 的像是子代数 F′F',也用 A[(xi)i∈I]A[(x_i)_{i \in I}] 表示(即使FF 不可交换);如果 aa 是 xix_i 之间的多项式关系器的理想,则有正合序列个 AA 模

0⟶a⟶A[(Xi)i∈I]→hA[(xi)i∈I]⟶0. 0 \longrightarrow a \longrightarrow A[(X_i)_{i \in I}] \xrightarrow{h} A[(x_i)_{i \in I}] \longrightarrow 0.

命题 8 05ZC

令A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]为代数的多项式代数、II的JJ子集以及KKII中JJ的补集。写 A′=A[(Xj)j∈J]A' = A[(X_j)_{j \in J}] 并用 Xk′X'_k (k∈Kk \in K) 表示多项式代数 Libasc_{A'}(K) = A'[(X'_k)_{k \in K}] 中的*不定式,则存在唯一的环同构 A'[(X'_k)_{k \in K}] 到 A[(X_i)_{i \in I}],其中重合具有 A' 上的恒等式,并且映射 X'_k 到 X_k 对于所有 k \in K。

被以下引用 1

被以下引用 推论 1(希尔伯特), VIII § 1

显然,A[(X_i)_{i \in I}] 是由 X_k 对于 k \in K 生成的 A' 代数。另一方面,作为 X_k (k \in K) 与 A' 中的系数之间的多项式关系器,可以唯一地写为 ∑vhv((Xj)j∈J)Xv\sum_v h_v((X_j)_{j \in J}) X^v,其中 v 穿过 N(K)\mathbf{N}^{(K)} 的有限子集,并且其中h_v 是 A[(X_j)_{j \in J}] 的元素,h_v 必须是 X_j 与 A 中的系数之间的多项式关系器,因此都是零,这证明了命题。

命题 8 中描述的同构通常用于 A[(X_i)_{i \in I}] 的认同元素,其中多项式的系数为 A' = A[(X_j)_{j \in J}]。如果 u 是 A[(X_i)_{i \in I}] 的元素 ≠0\neq 0,则其总次数被视为 A'[(X_k)_{k \in K}] 的元素也称为相对于 X_i 的次数指标 i \in K.

注 05ZD

设I和J是两个集合,并且(P_j)_{j \in J}是Z[(Xi)i∈I]\mathbf{Z}[(X_i)_{i \in I}]的元素族;如果 Q 是 Z[(Xj)j∈J]\mathbf{Z}[(X_j)_{j \in J}] 的元素,使得 Q((Pj)j∈J)=0Q((P_j)_{j \in J}) = 0,则对于环 B 的成对可置换元素的每个族 (bi)i∈I(b_i)_{i \in I},

Q((Pj((bi)i∈I))j∈J)=0. Q((P_j((b_i)_{i \in I}))_{j \in J}) = 0.
关系包含形式 Q((Pj)j∈J)=0Q((P_j)_{j \in J}) = 0 是有时称为多项式恒等式。对于例
(X1+X2)2−X12−X22−2X1X2=0 (X_1 + X_2)^2 - X_1^2 - X_2^2 - 2X_1X_2 = 0
与
Q=Y12−Y2,P1=X1+X2,P2=X12+X22+2X1X2 Q = Y_1^2 - Y_2, \quad P_1 = X_1 + X_2, \quad P_2 = X_1^2 + X_2^2 + 2X_1X_2
X1n−X2n−(X1−X2)(X1n−1+X1n−2X2+⋯+X2n−1)=0 X_1^n - X_2^n - (X_1 - X_2)(X_1^{n-1} + X_1^{n-2}X_2 + \cdots + X_2^{n-1}) = 0
与
Q=Y1−Y2Y3,P1=X1n−X2n,P2=X1−X2, Q = Y_1 - Y_2Y_3, \quad P_1 = X_1^n - X_2^n, \quad P_2 = X_1 - X_2,
P3=X1n−1+X1n−2X2+⋯+X2n−1 P_3 = X_1^{n-1} + X_1^{n-2}X_2 + \cdots + X_2^{n-1}
是多项式恒等式。

10. 幺半群总数代数

A 上幺半群 S 的代数(如A-模)是有限支撑的族(αs)s∈S(\alpha_s)_{s \in S} 乘积 ASA^S 由……组成子模; 乘法在此代数由关系(αs)(βs)=(γs)(\alpha_s)(\beta_s) = (\gamma_s)定义,其中,对于所有s∈Ss \in S,

γs=∑tu=sαtβu \gamma_s = \sum_{tu = s} \alpha_t \beta_u

(cf.no. 6,公式(35))。 (38) 右侧的和是有意义的,因为(αs)(\alpha_s) 和(βs)(\beta_s) 是有限支撑的族,因此双 (αtβu)(t,u)∈S×S(\alpha_t\beta_u)_{(t,u)\in S\times S} 也是族。但是,当幺半群SS满足以下条件时,(38)的右侧对于ASA^S的*任意*元素(αs), βs)(\alpha_s),\ \beta_s)也有意义:

(D) 对于所有 s∈Ss\in S,*仅存在一个有限的数有序对* (t,u)(t,u) 在 S×SS\times S 使得 tu=stu=s。

假设SS满足条件(D);然后可以通过公式 (38) 在乘积 A-模 ASA^S 上定义乘法律。由此在ASA^S上定义的乘法是A-双线性的,即直接的;它也是*关联的*,因为对于 ASA^S 中的 α,β,γ\alpha,\beta,\gamma,

∑uvw=tαuβvγw=∑rw=t((∑uv=rαuβv)γw)=∑us=t(αu(∑vw=sβvγw)). \sum_{uvw=t} \alpha_u\beta_v\gamma_w = \sum_{rw=t} \left( \left( \sum_{uv=r} \alpha_u\beta_v \right) \gamma_w \right) = \sum_{us=t} \left( \alpha_u \left( \sum_{vw=s} \beta_v\gamma_w \right) \right).

乘法和 A-模结构在 ASA^S 上,因此定义在 ASA^S 上,是 A 上的统一*关联代数* 结构;我们可以说,集合ASA^S,再加上结构,就是幺半群S在A上的*总代数*。

直接的,幺半群 S 在 A 上的 代数 A(S)A^{(S)}(必要时也称为 S 的*受限代数*)是 S 在 A 上的总代数* 的 子代数(当 S 有限时与后者相同)。 滥用语言,A 上 S 的总代数中的每一个元素(ξs)s∈S(\xi_s)_{s\in S} 也用与 S 的受限代数的元素相同的记号∑s∈Sξses\sum_{s\in S} \xi_s e_s(甚至∑s∈Sξss\sum_{s\in S} \xi_s s)表示;当然,这个记号对应中出现的求和符号没有代数运算,因为它一般是项≠0\neq 0的*无穷大*。有了这个记号,S的总代数中的乘法也由no. 6的公式(35)给出。

如果 S 是可交换的,那么它的总代数 ASA^S 也是可交换的。如果 T 是 S 的子幺半群,则幺半群的总代数 ATA^T 规范地与 S 的总代数中的子代数一致。如果 ρ:A→B\rho : A \to B 是环同态,则规范化扩张ρS:AS→BS\rho^S : A^S \to B^S是A上S的总代数到B上S的总代数的A同态,其中扩展典范同态A(S)→B(S)A^{(S)} \to B^{(S)}。

11. 正式幂级数超过交换环

对于每个集合 I,加法幺半群N(I)N^{(I)}满足条件 (D) of no. 10;例如,如果 I 的有限子集 H 中的 s=(ni)i∈Is = (n_i)_{i\in I} 与 ni=0n_i = 0 除外指标 ii,则关系 s=t+us = t + u 与 t=(pi)i∈It = (p_i)_{i\in I} 和 u=(qi)i∈Iu = (q_i)_{i\in I} 等价于 pi+qi=nip_i + q_i = n_i对于所有ii;但这意味着 i∉Hi \notin H 为 pi=qi=0p_i = q_i = 0,pi≤ni,qi≤nip_i \leq n_i, q_i \leq n_i 为 i∈Hi \in H;因此,N(I)N^{(I)}中有∏i∈H(ni+1)\prod_{i\in H} (n_i + 1)有序对(t,u)(t, u),使得t+u=st + u = s。

因此,我们可以考虑幺半群N(I)\mathbf{N}^{(I)}超过AA的总代数,其中包含是该幺半群的(受限)代数A[Xi]i∈IA[\mathbf{X}_i]_{i \in I}。它是不定式Xi (i∈I)X_i \ (i \in I)中形式幂级数的单位交换结合律代数,称为代数,系数在AA中,并用A[[Xi]]i∈IA[[\mathbf{X}_i]]_{i \in I}表示;它的元素在不定式Xi (i∈I)X_i \ (i \in I)中称为形式幂级数,系数为AA。按照no. 10中制定的惯例,这样的元素(αv)v∈N(I)(\alpha_v)_{v \in \mathbf{N}^{(I)}}也表示为∑v∈N(I)αvXv\sum_{v \in \mathbf{N}^{(I)}} \alpha_v X^v; αv\alpha_v是形式幂级数的系数,αvXv\alpha_v X^v是项的系数;因此,XiX_i 中的多项式是形式的幂级数,其中只有有限的数项 ≠0\neq 0。

显然,代数同构A[[Xi]]i∈I1→A[[Xi]]i∈I2A[[\mathbf{X}_i]]_{i \in I_1} \to A[[\mathbf{X}_i]]_{i \in I_2}规范地源自每个双射σ:I1→I2\sigma : I_1 \to I_2,由映射正式的幂级数∑(ni)α(ni)⋅∏i∈I1Xini\sum_{(n_i)} \alpha_{(n_i)} \cdot \prod_{i \in I_1} X_i^{n_i}到正式的幂级数∑(ni)α(ni)⋅∏i∈I1Xσ(i)ni\sum_{(n_i)} \alpha_{(n_i)} \cdot \prod_{i \in I_1} X_{\sigma(i)}^{n_i}。

设JJ为II的子集; 代数 A[[Xi]]i∈JA[[\mathbf{X}_i]]_{i \in J} 可以与正式幂级数 ∑(ni)α(ni)⋅∏i∈IXini\sum_{(n_i)} \alpha_{(n_i)} \cdot \prod_{i \in I} X_i^{n_i} 的A[[Xi]]i∈IA[[\mathbf{X}_i]]_{i \in I} 由……组成的子代数进行识别,其中α(ni)=0\alpha_{(n_i)} = 0 对于每个元素 (ni)∈N(I)(n_i) \in \mathbf{N}^{(I)} 使得ni≠0n_i \neq 0至少一个指标 i∈I−Ji \in I - J。此外,如果 K=I−JK = I - J、A[[Xi]]i∈IA[[\mathbf{X}_i]]_{i \in I} 被规范地标识为 (A[[Xj]]j∈J)[[Xk]]k∈K(A[[\mathbf{X}_j]]_{j \in J})[[\mathbf{X}_k]]_{k \in K},则通过将形式幂级数 ∑(ni)α(ni)⋅∏i∈IXini\sum_{(n_i)} \alpha_{(n_i)} \cdot \prod_{i \in I} X_i^{n_i} 与形式幂级数 ∑(mk)β(mk)⋅∏k∈KXkmk\sum_{(m_k)} \beta_{(m_k)} \cdot \prod_{k \in K} X_k^{m_k} 进行标识,其中

β(mk)=∑(pj)γ(pj)⋅∏j∈JXjpj \beta_{(m_k)} = \sum_{(p_j)} \gamma_{(p_j)} \cdot \prod_{j \in J} X_j^{p_j}
其中γ(pj)=α(ni)\gamma_{(p_j)} = \alpha_{(n_i)}代表序列(ni)(n_i),ni=pin_i = p_i代表i∈Ji \in J,ni=min_i = m_i代表i∈Ki \in K。

给定一个正式的幂级数u=∑vαvXvu = \sum_v \alpha_v X^v、项αvXv\alpha_v X^v,使得∣v∣=p|v| = p在总次数pp中的uu中被称为项。正式的幂级数upu_p,其总次数pp中的项是uu的项,而其他项是零,称为齐次部分 uu 共次数 pp;当II有限时,upu_p是所有pp的多项式; u0u_0 与AA 的元素相同(也称为uu 的常数项)。如果uu和vv是两个形式幂级数和w=uvw = uv,那么

wp=∑r=0purvp−r w_p = \sum_{r=0}^p u_r v_{p-r}
每整数 p≥0p \geq 0。

对于每个正式的幂级数u≠0u \neq 0,最小的整数p≥0p \geq 0使得up≠0u_p \neq 0被称为uu的总阶(或简称为阶)。如果这个阶用ω(u)\omega(u)表示并且uu和vv是两个形式的幂级数≠0\neq 0,那么

ω(u+v)≥inf⁡(ω(u),ω(v))if u+v≠0ω(uv)≥ω(u)+ω(v)if uv≠0. \omega(u + v) \geq \inf(\omega(u), \omega(v)) \quad \text{if } u + v \neq 0 \\ \omega(uv) \geq \omega(u) + \omega(v) \quad \text{if } uv \neq 0.

进一步,如果ω(u)≠ω(v)\omega(u) \neq \omega(v),则u+v≠0u + v \neq 0必然与(40)的两侧相等。

注 0 的阶 未定义。 By an abuse of language, it is a convention to say that "f is a formal power series of order ≥p\geq p (resp. >p> p)" if the homogeneous part of f of degree n is zero for all n<pn < p (resp. n≤pn \leq p); 0 is therefore a "formal power series of order >p> p" for every integer p≥0p \geq 0.

令J为I的子集,并让A[[Xi]]i∈IA[[X_i]]_{i \in I}如上与B[[Xk]]k∈KB[[X_k]]_{k \in K}相同,其中K=I−JK = I - J和B=A[[Xj]]j∈JB = A[[X_j]]_{j \in J}; 相应的对上述定义适用于B[[Xk]]k∈KB[[X_k]]_{k \in K},新增定义用于正式幂级数u∈A[[Xi]]i∈Iu \in A[[X_i]]_{i \in I}; 项α(ni)⋅∏i∈IXini\alpha_{(n_i)} \cdot \prod_{i \in I} X_i^{n_i}据说是指标的XiX_i*i∈Ki \in K中的*次数p如果∑i∈Kni=p\sum_{i \in K} n_i = p和B[[Xk]]k∈KB[[X_k]]_{k \in K}的正式幂级数与相同的项次数pp与uu一样,其他零*被称为指标*i∈Ki \in K的XiX_i中次数p的齐次部分。如果u≠0u \neq 0,则指标i∈Ki \in K相对于XiX_i的*阶*ωK(u)\omega_K(u)是整数p≥0p \geq 0的最小的,使得uu的齐次部分为指标 i∈Ki \in K 的XiX_i 中的次数 pp 是≠0\neq 0。当 ω\omega 被 ωK\omega_K 替代时,不等式 (40) 和 (41) 仍然成立。

习题

参见习题为 § 2。

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