Bourbaki

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§ 3。 单模

1. 单模

回忆一下下面的定义(II, §1, No. 10,p. 212)。

定义 1 0035

设 A 为环。如果A-模 M 是非零的并且没有不同于 0 和 M 的子模,则称 M 为简单的。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 4, VIII § 2

被以下引用 定义 2, VIII Appendix 1

A-模 M 是简单的当且仅当 M 是单模超过其同位环 AMA_M。每个单模都是不可分解的,长度 1,因此是原始的 (VIII, p. 31, 命题 4, b))。

例 1 0036

模 AsA_s 为单A-模当且仅当 A 为域 (I, §9, No. 1, p. 115, 定理 1)。 单A-模则向量空间等于维数 1 除以域 A。

引用了 1

引用了 定理 1, I § 9

例 2 0037

设 A 为主理想整环 (VII, §1, No. 1, p. 1, 定义 1),但不是域。对于A的每个不可约元π\pi,A-模As/(π)A_s/(\pi )是简单的,并且每个单A-模同构于这样的模(VII, §4, No. 8,p. 25,注4)。对于 n⩾2n\geqslant 2、A-模 As/(πn)A_s/(\pi^n) 是不可分解的(VII, §4, No. 8、p. 24、命题 8),但并不简单。

引用了 2

引用了 注 4, VII § 4, 命题 8, VII § 4

例 3 0038

令 K 为域、V 非零的右向量空间超过域 K,且 A 子环为环 EndK(V)_K(V) 包含自同态为 V 有限秩(对于例,A = 结束K(V)_K(V))。让我们证明V是单A-模:令W是V的非零的A-子模和W的xx非零元素; V 上存在线性形式 φ\varphi,使得 φ(x)≠0\varphi (x)\not= 0 (II, §7, No. 5, p. 300, 定理 6)。对于V、映射z↦yφ(z)z\mapsto y\varphi (z)中的每个yy,秩⩽1\leqslant 1、属于与A呈线性关系;因此我们有Ax=VAx= V,因此更不必说 W = V,这证明V是单A-模。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 定理 6, II § 7

被以下引用 命题 5, VIII § 5, 引理 2, VIII § 7

命题 1 00QZ

设 A 为环。

引用了 1 · 被以下引用 4

引用了 定理 4, I § 4

被以下引用 § 3. 。 单模, 推论 2, 命题 1, VIII § 8, 命题 5, VIII § 9

a) 令 m\mathfrak{m} 为 A 的左理想。当且仅当 m\mathfrak{m} 为最大左理想时,A-模 As/mA_s/\mathfrak{m} 是简单的。

b) 设M为单A-模,xx为M的非零元素。我们有等式M=AxM = Ax,xx的湮没子m\mathfrak{m}是A的最大左理想,映射 a↦axa\mapsto ax 定义,由经过得到商,同构由 As/mA_s/\mathfrak{m} 得到 M。

c) 设 M 为非零的 A-模。如果 M 的每个非零元素 xx 都有 M=AxM = Ax,那么 M 是简单的。

As/mA_s/\mathfrak{m}的子模是形式n/m\mathfrak{n}/\mathfrak{m},其中n\mathfrak{n}是包含m\mathfrak{m}的左理想(I, §4, No. 6,p. 41,定理4);因而,A-模As/mA_s/\mathfrak{m}是简单的当且仅当我们有m≠A\mathfrak{m}\not= A并且包含m\mathfrak{m}的每个左理想n\mathfrak{n}满足n/m=0\mathfrak{n}/\mathfrak{m}= 0或n/m=As/m\mathfrak{n}/\mathfrak{m}= A_s/\mathfrak{m},即n=m\mathfrak{n}=\mathfrak{m}或n=A\mathfrak{n}= A。这就证明了a)。

在b)的假设下,AxAx是M的非零的子模,因此等于M。因而,映射a↦axa\mapsto ax定义,通过经过除商,同构 As/mA_s/\mathfrak{m} 至 M;因而 A-模 As/mA_s/\mathfrak{m} 是简单的,并且左理想 m\mathfrak{m} 最大为 a)。这证明了b)。

在c)的假设下,令N为M的非零的子模。如果xx是N的非零元素,则我们有Ax⊂NAx\subset N和Ax=MAx= M,因此M = N。因此M是简单的。

推论 1 0039

若环 A不减至0,则存在单A-模。

引用了 1

引用了 定理 1(克鲁尔), I § 8

事实上,根据克鲁尔的定理(I, §8, No. 6,p. 104,定理1),存在A的最大左理想。

推论 2 003A

设 A 为局部环 (VIII, p. 26, 定义 1) 和 r\mathfrak{r} 其最大理想。 A-模 As/rA_s/\mathfrak{r} 很简单,每个单A-模都与 As/rA_s/\mathfrak{r} 同构。

引用了 1

引用了 定义 1, VIII § 2

注 1 003B

设A为交换环且m\mathfrak{m}是A的理想。则m\mathfrak{m}为A-模As/mA_s/\mathfrak{m}的湮没子(II, §1, No. 12,p. 219,定义11)。因而,如果m\mathfrak{m}和m′\mathfrak{m}'是A的不同理想,则A-模As/mA_s/\mathfrak{m}和As/m′A_s/\mathfrak{m}'不是同构的。当且仅当 (0) 是 A 的最大理想,即 A 是域时,存在忠实的单A-模 (II, §1, No. 12, p. 219)。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 II § 1. 。 模, 定义 11, II § 1

被以下引用 § 3. 。 单模

注 2 003C

我们可以给出非交换环 A 的例和 A 的两个不同的最大左理想 m\mathfrak{m} 和 m′\mathfrak{m}',使得 A-模 As/mA_s/\mathfrak{m} 和 As/m′A_s/\mathfrak{m}' 同构(VIII、p. 52、习题) 3)。

引用了 1

引用了 习题 3, § 3

2. 舒尔的引理

命题 2 003D

设A为环,M和N为两个A-模,并且从M到N为ff非零的同态。

被以下引用 5

被以下引用 命题 4, VIII § 20, 推论, VIII § 21, 推论(Schur 引理), 命题 4, 命题 1, LIE IX Appendix 2

a) 如果 M 是简单的,则 ff 是单射的。

b) 如果 N 是简单的,则 ff 是满射。

c) 如果 M 和 N 很简单,则 ff 是同构。

ff的核是M的真子模,ff的像是N的非零的子模。

a) 如果 M 是简单的,那么我们有 Ker(ff) =0= 0,所以 ff 是单射的。

b) 如果 N 是简单的,那么我们有 Im(ff) =N= N,所以 ff 是满射的。

c) 如果 M 和 N 很简单,则 ff 既是单射又是满射。

推论(Schur 引理) 00RZ

单模中的自同态环是域。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 命题 2

被以下引用 定理 1, 推论 4, VIII § 4

如果M是单A-模,那么非零环EndA(M)_A(M)的每个非零元素都是可逆的(命题2, c)),所以EndA(M)_A(M)是域。

定理 1 003E

令 K 为代数闭交换域、A K-代数和 M 单A-模。假设 M 的维数作为 K 上的向量空间是有限的,或者更一般地,严格小于 K 的基数。则 A-模 M 的自同态环由同位αM\alpha_M 与 α∈K\alpha \in K 组成。

引用了 2 · 被以下引用 16

引用了 命题 25, II § 1, 推论(Schur 引理)

被以下引用 推论 (弗罗贝尼乌斯互易律), VIII § 11, 定理 1, VIII § 12, 注, VIII § 20, 命题 11, VIII § 21, 命题 7, VIII § 21, 命题 9, VIII § 21, 推论 1, 推论 2, 注, VIII § 4, 推论, VIII § 5, 推论 2(伯恩赛德定理), VIII § 5, 推论 3, VIII § 7, 例, VIII § 8, 引理 1, LIE IX § 4, LIE IX § 7. 。 不可约表示已连接紧李群, 注 3, LIE IX § 7

令 E 为 A-模 M 的自同态环;根据命题 2 和代数的推论,域超过域 K。如果我们将 M 视为左向量空间超过域 E,则我们有暗淡KM=_KM = (暗淡EM_EM)[E:K][E : K] 命题 25 / II, §1, No. 13,p. 222,因此暗淡KM⩾[E:K]_KM\geqslant [E : K]。由于KM<_KM<卡(K)被假设调暗,等式E=K⋅1ME = K\cdot 1_M则为以下引理的推论。

引理 1 003F

设E为域,E的中心的K子域不等于E。如果域K是代数闭的,则我们有[E:K]⩾[E : K]\geqslantCard(K)。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 2, VII § 2

被以下引用 习题 5, § 9

令 xx 为 E - K 的元素,L 为由 K∪{x}K\cup \{x\} 生成的 E 的(可交换)子域。由于 K 是代数闭集,xx 超越 K。通过 VII, §2, No. 3、p. 10、定理 2 和 p. 11、L 的元素 (x−α)−1(x-\alpha )^{-1}(其中 α\alpha 穿过 K)线性无关因此我们有[E:K]⩾[L:K]⩾[E : K]\geqslant [L : K]\geqslant卡(K)。

例 003G

∗* 令 A 为由元素可数族生成的 C\mathbf{C} 代数;它有可数维数超过 C\mathbf{C}。设M为单A-模;它是单生的,因此承认基超过 C\mathbf{C}。由于域C\mathbf{C}不可数(Gen.Top.,IV, §4, No. 1,p. 44),我们有[M:C]<[M :\mathbf{C}]<卡(C\mathbf{C})。因此A-模 M 的自同态是αM\alpha_M 与α∈C\alpha \in \mathbf{C} 的同位。这尤其适用于当 A 是有限维李代数在 C(\mathbf{C}(Lie、I, §2, No. 7、p. 21、推论 3).∗3).* 的通用包络代数时

引用了 1

引用了 LIE I § 2. 。包络代数的李代数

推论 1 003H

保持定理 1 中的假设,并且假设代数 A 是可交换的。那么 M 比 K 有维数 1。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 1

被以下引用 VIII § 21. 。 线性表示有限群

由于环 A 是可交换的,因此对于每个 a∈Aa\in A,aMa_M 是 A-模 M 的自同态。因此,通过定理 1,我们有 AM=K⋅1MA_M= K\cdot 1_M,M 是一个简单的 K-模,即域 K 上的一维向量空间。

推论 2 003I

设 K 为交换域,A K-代数,M A-模。假设对于 K 的每个扩张 L,A(L)A_{(L)}-模 M(L)M_{(L)} 都是简单的。那么M的自同态环由αM\alpha_M与α∈K\alpha \in K同位。

引用了 2

引用了 定理 2(斯坦尼茨), V § 4, 定理 1

令I为基数的集合严格大于M的维数超过K(对于例,M的子集的集合)。设L为域K((Xi)i∈I)K((X_i)_{i\in I})之代数闭包(V, §4, No. 3,p. 23,定理2)。 选择 L 上的 K 线性形式φ\varphi,使得 φ(1)=1\varphi (1) = 1,并令 v:M(L)→Mv: M_{(L)}\rightarrow M 为由 v(α⊗m)=φ(α)mv(\alpha \otimes m) =\varphi (\alpha )m 表征的 K-线性映射。令uu为M的自同态。M(L)M_{(L)}对L的维数等于M对K的维数,并且严格小于L的基数。通过定理 1,A(L)A_{(L)}模块M(L)M_{(L)}的自同态1L⊗u1_L\otimes u为形式λ⊗1M\lambda \otimes 1_M和λ∈L\lambda \in L。对于每x∈Mx\in M,我们有

u(x)=v(1⊗u(x))=v((1L⊗u)(1⊗x)) u(x) =v(1\otimes u(x))=v((1_L\otimes u)(1\otimes x))
=v((λ⊗1M)(1⊗x))=v(λ⊗x)=φ(λ)x =v((\lambda \otimes 1_M)(1\otimes x))=v(\lambda \otimes x) =\varphi (\lambda )x

这样uu就是位似φ(λ)M\varphi (\lambda )_M。

3. 极大子模

定义 2 003J

设A为环,M为A-模。 M的极大子模是M的真子模的集合的极大元素。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 定理 4, I § 4

被以下引用 例, VIII § 8, 定义 1, VIII § 9

AsA_s的极大子模只是A的左最大理想。

令 N 为 M 的子模。 M/NM/N 的子模为形式 P/NP/N,其中 P 为 M 包含于 N 的子模 (I, §4, No. 6, p. 41, 定理) 4).因而,N 是 M 的极大子模当且仅当模 M/NM/N 是简单的。

命题 3 003K

设 M 为有限生成A-模。 M 的每个真子模都包含在极大子模中。

引用了 1 · 被以下引用 3

引用了 推论 1, E III § 2

被以下引用 推论 1, 推论 2, VIII § 4, 命题 2, VIII § 9

设N为M的真子模。用M包含N的真子模S\mathscr{S}集合表示,按包含排序;让我们证明 S\mathscr{S} 是归纳性的。令F\mathscr{F}等于S\mathscr{S}的总有序子集。如果F\mathscr{F}为空,则对于S\mathscr{S}中的F\mathscr{F},N为上界。相反的情况,用F\mathscr{F}的元素的Q并来表示。那么 Q 是 M 的子模。设 F 是 M 的有限生成子集。如果 Q 等于 M,则 F 将包含在子模 P∈FP\in \mathscr{F} 中,这意味着 P = M,与 F\mathscr{F} 的定义相反。因此我们有Q∈SQ\in \mathscr{S},这证明S\mathscr{S}是归纳性的。然后从集合理论的推论1、III, §2, No. 4、p. 155得出命题3。

推论 1 003L

设 M 为非零的有限生成A-模。存在 A 的双面理想a\mathfrak{a},单A-模的湮没子,使得 aM\mathfrak{a}M 不等于 M。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 3

被以下引用 推论 2

令N为M(命题3)的极大子模,并令a\mathfrak{a}为单A-模M/NM/N的湮没子;它是 A 的双面理想,我们有 a(M/N)=0\mathfrak{a}(M/N) = 0、从而 aM⊂N\mathfrak{a}M\subset N,因此有 aM≠M\mathfrak{a}M\not= M。

推论 2 003M

设A为交换环,B为A-代数。设M为单B-模即有限生成A-模,并令m\mathfrak{m}为A-模M的湮没子。则m\mathfrak{m}是A的极大理想,M是域A/mA/\mathfrak{m}的有限维向量空间。

引用了 2

引用了 命题 1, 推论 1

由于环 A 是可交换的,单A-模的湮没子是 A 的最大理想 (VIII, p. 46, 命题 1)。将推论 1 应用于 A-模 M,存在 A 的最大理想 a\mathfrak{a},使得 aM≠M\mathfrak{a}M\not= M。但aM\mathfrak{a}M是单B-模M的子模;因此我们有 aM=0\mathfrak{a}M = 0 以及a⊂m\mathfrak{a}\subset \mathfrak{m}。由于理想的m\mathfrak{m}与A不同,它等于a\mathfrak{a},因而m\mathfrak{m}最大。 模 M 是有限生成模超过域 A/mA/\mathfrak{m};接下来是最后一个断言。

4. 单模超过阿廷环

设 A 为环。通过滥用语言,我们说左理想a\mathfrak{a}是A的最小左理想,如果它是A的非零的左理想中集合的最小元素,并按包含排序。我们类似地定义右极小理想和两侧极小理想。

设 a\mathfrak{a} 为 A 的左理想。则 a\mathfrak{a} 为单A-模当且仅当它是 A 的最小左理想。

左阿廷的 (VIII, p. 1, 定义 1) 环包含的每个非零的左理想都有一个最小左理想。

命题 4 003N

设 A 为环,其具有最小左理想a\mathfrak{a}。每个忠实的单A-模都与A-模a\mathfrak{a}同构的。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 命题 2

被以下引用 习题 13, § 14, 习题 10, § 7

让M成为忠实的单A-模。设α\alpha为a\mathfrak{a}的非零元素。由于 A-模 M 是忠实的,因此存在 M 的元素 xx,使得 αx≠0\alpha x\not= 0。从a\mathfrak{a}到M的同态a↦axa\mapsto ax则为非零的;因而,它是 VIII、p. 47 中的同构乘以命题 2。

命题 5 003O

设 A 为左阿廷的环,M 为忠实的 A-模。

引用了 3 · 被以下引用 3

引用了 VIII § 1. 。 阿廷模与诺特模, I § 4. 。 群和群与操作员, 定理 6(乔丹-霍尔德), I § 4

被以下引用 注, 命题 1, VIII § 7, 定理 1(韦德伯恩), VIII § 8

a) MmM^m的AsA_s到子模存在自然数mm和同构。

b) 如果 M 承认 Jordan–Hölder 级数 (Mi)0⩽i⩽n(M_i)_{0\leqslant i\leqslant n},则每个单A-模同构于商 Mi/Mi+1M_i/M_{i+1} 之一。

将VIII、p. 2应用于M的A-模AsA_s和元素的湮没子,存在M的元素x1,...,xmx_1, . . . , x_m,使得M的湮没子是M的湮没子的交 xix_i。由于 A-模 M 是忠实的,A-线性映射 a↦(ax1,...,axm)a\mapsto (ax_1, . . . , ax_m) 从 AsA_s 到 MmM^m 是单射的,从而 a)。

在b)的假设下,AsA_s的每个简单商同构于Jordan–Hölder级数对MmM^m的商(I, §4, No. 7,p. 43,推论),因此与模Mi/Mi+1M_i/M_{i+1}之一(I, §4, No. 7, p. 43、定理 6)。我们结论认为每个单A-模同构于AsA_s的商。

注 003P

命题 5 特别适用于以下两种情况:

a) 设 A 为交换域 K 上的代数,并令 M 为 K 上的忠实有限维模。则 M 为有限长度的 A-模,并且 M 的对模是有限生成的。 环 A 为左阿廷的(VIII、p. 9、命题 6)。存在 A-模 M 的 Jordan–Hölder 级数 (Mi)0⩽i⩽n(M_i)_{0\leqslant i\leqslant n},并且每个单A-模都同构于 0⩽i⩽n−10\leqslant i\leqslant n-1 的模 Mi/Mi+1M_i/M_{i+1} 之一。

b) 设 A 为左阿廷的环。 模AsA_s有有限长度(VIII,p. 6,定理1)。由于A-模AsA_s有有限长度,因此存在A的左理想递减序列(ai)0⩽i⩽n(\mathfrak{a}_i)_{0\leqslant i\leqslant n},使得a0=A\mathfrak{a}_0= A和an=0\mathfrak{a}_n= 0以及A-模Si=ai−1/aiS_i=\mathfrak{a}_{i-1}/\mathfrak{a}_i对于1⩽i⩽n1\leqslant i\leqslant n来说是简单的。那么每个单A-模都同构于模 S1,...,SnS_1, . . . ,S_n 之一。

引用了 3

引用了 命题 5, 命题 6, VIII § 1, 定理 1, VIII § 1

5. Classes of Simple Modules

表示为 IsA(X,Y)_A(X,Y) 关系

“A 是环和 X,YX,Y 同构 A-模。”

这是相对于X和Y的等价关系。如果X是A-模,那么我们用cl(X)表示对象的类相当于IsA_A的X,并将其称为类 A-模X(集合理论,II, §6, No. 9,p. 122)。到定义,cl(X)与A-模同构于X;此外,两个 A-模 X 和 Y 是同构的当且仅当我们有 cl(X) = cl(Y)。

设A为环。 关系

“λ\lambda 是类 / 有限生成A-模”

λ(\lambda (集合理论中的集合化,II, §1, No. 4,p. 68)。事实上,每个有限生成A-模都同构于形式Asn/RA^n_s/R的A-模,其中nn是自然数,AsnA^n_s的R子模,因此我们的断言遵循集合理论, II, §6, No. 9、p. 122。

我们用F(A)\mathscr{F}(A)表示类或有限生成A-模的集合。 Every simple A-module is monogenous (VIII, p. 46, Proposition 1), and consequently the classes of the simple A-modules form a subset of F\mathscr{F} (A), which we from now on denote by S(A)\mathscr{S}(A) (or simply S\mathscr{S}). 当环 A 是可交换的时,映射 m↦\mathfrak{m}\mapsto cl(A/m/\mathfrak{m}) 是从 A 的最大理想的集合到集合 S(A)\mathscr{S}(A) 的双射 (loc. cit. and VIII, p. 46, 注1)。 当 A 为左阿廷的时,集合 S(A)\mathscr{S}(A) 是有限的 (VIII, p. 51, 注 b))。

习题

参见习题为 § 3。

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