Bourbaki

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§ 8。 半单环

1. Semisimple Rings

定理 1(韦德伯恩) 00S4

设A为环。以下属性是等效的:

引用了 6 · 被以下引用 4

引用了 推论 2, VIII § 4, 定理 1(韦德伯恩), VIII § 7, 命题 5, VIII § 3, 命题 10, VIII § 4, 命题 6, VIII § 5, 定义 1, VIII § 7

被以下引用 推论, VIII § 13, 命题 4, VIII § 14, 定义 1, 命题 4

(i) A-模 AsA_s 是半单。

(ii) 对于 A 的每个左理想 a\mathfrak{a},都存在 A 的左理想 b\mathfrak{b},使得 AsA_s 是 a\mathfrak{a} 和 b\mathfrak{b} 的直和。

(iii) 环 A 为左阿廷的,(A,A)(A,A)-双模sAd_sA_d 为半单。

(iv) 环 A 同构于简单环有限族的乘积。

(v) 存在整数s⩾s\geqslant0、域D1,...,DsD_1, . . . ,D_s和整数r1⩾1,...,rs⩾1r_1\geqslant 1, . . .,r_s\geqslant 1,使得环A与矩阵环Mri(Di)\mathbf{M}_{r_i}(D_i)的乘积同构。

(vi) 环 A 是左阿廷的,并且存在忠实的半单左A-模。

(i)和(ii)的等价由VIII、p. 56的推论2得出,(iv)和(v)的定理由VIII、p. 120的定理1得出。

A-模 AsA_s 是有限生成的。如果是半单,那么就是左阿廷的(VIII、p. 71、命题 10)。由于 A-模 AsA_s 是忠实的,这证明 (i) 蕴涵 (vi)。相反,假设性质 (vi) 成立;让M成为忠实的半单A-模。存在整数 m⩾1m\geqslant 1,使得AsA_s同构于MmM^m的子模 (VIII, p. 50, 命题 5, a));因为M是半单,所以AsA_s也是如此。因此我们证明了(i)和(vi)的等价。

让我们证明 (i) 蕴涵 (iii)。假设环 A 有性质 (i);我们已经观察到 A 是左阿廷的。现在,左A-模AsA_s的自同态是A的右乘法乘元素。(A(A,A)-双模sAd_sA_d是半单然后从VIII的命题6得出, p. 86。

让我们证明 (iii) 蕴涵 (iv)。 假设(A(A,A)-双模sAd_sA_d是半单。 它是有限生成的,因此存在一个由简单 (A(A、A)-子双模与直和 sAd_sA_d 组成的有限族 (ai)i∈I(\mathfrak{a}_i)_{i\in I}。 在其他字中,ai\mathfrak{a}_i是A的非零的双面理想,A的加法群是ai\mathfrak{a}_i的直和,并且对于每个i∈Ii\in I,ai\mathfrak{a}_i中包含的A的每个双面理想都等于0或ai\mathfrak{a}_i。 每 i∈Ii\in I 集合 bi=∑j≠iaj\mathfrak{b}_i=\sum_{j\not=i}\mathfrak{a}_j;这是 A 的双面理想。 映射a↦(a+bi)i∈Ia\mapsto (a+\mathfrak{b}_i)_{i\in I}是环A/biA/\mathfrak{b}_i中从环A到乘积的同构。 (A(A,A)-双模ai\mathfrak{a}_i和A/biA/\mathfrak{b}_i同构的,因此A/biA/\mathfrak{b}_i的每个双面理想都等于0或A/biA/\mathfrak{b}_i。 如果环 A 是左阿廷的,那么环 A/biA/\mathfrak{b}_i 也是如此,因此很简单(VIII、p. 120、定义 1)。

最后,让我们证明(iv)蕴涵(i)。假设 A 是简单环的有限族 (Ai)i∈I(A_i)_{i\in I} 中的乘积。用 πi\pi_i 投影和指标 ii 从 A 到 AiA_i 表示,并用 MiM_i A-模表示,底层为加法群 AiA_i 和律作用 (a,x)↦πi(a)x(a, x)\mapsto \pi_i(a)x。由于环AiA_i很简单,AiA_i模(Ai)s(A_i)_s是半单,所以A-模MiM_i是半单。由于A-模AsA_s只不过是乘积∏i∈IMi\prod_{i\in I}M_i,所以它是半单。

定义 1 0093

如果环 A 具有定理 1 的等价属性 (i) 到 (vi),则我们说环 A 是半单。如果环底层 A 是半单,则代数 A 超过交换环 kk 是半单代数。

引用了 1

引用了 定理 1(韦德伯恩)

命题 1 0094

设A为半单环。存在 A 的最小左理想的有限族 (mi)i∈I(\mathfrak{m}_i)_{i\in I} 使得 As=⊕i∈ImiA_s=\oplus_{i\in I}\mathfrak{m}_i。如果(mi)i∈I(\mathfrak{m}_i)_{i\in I}是这样一个族,那么每个单A-模都同构于mi\mathfrak{m}_i之一。 单A-模类集合是有限的。

引用了 2 · 被以下引用 5

引用了 命题 1, VIII § 3, 推论 3, VIII § 4

被以下引用 引理 2, VIII § 14, § 8. 。 半单环, 例, 命题 5, 命题 6

第一个断言源自A-模AsA_s是半单并且是有限生成的。每个单模都同构于 AsA_s (VIII, p. 46, 命题 1) 的商。第二个断言由VIII、p. 56的推论3得出,第三个断言是第二个直接的推论。

例 0095

设 G 为有限群,K 交换域。 ∗*我们将进一步从(VIII,p. 401,推论1)看出,当且仅当K的特征指数与G.∗G.*的阶素数时,群G的代数K[G]在域K上是半单环

引用了 1

引用了 推论 1 (Maschke), VIII § 21

注 1 0096

令K为交换域,并令A为K上的半单代数。则存在K-代数D1,...,DsD_1, . . . ,D_s,即域和整数r1⩾1,...,rs⩾1r_1\geqslant 1, . . . , r_s\geqslant 1,使得K-代数A与乘积∏i=1sMri(Di)\prod^s_{i=1}\mathbf{M}_{r_i}(D_i)同构的。

被以下引用 1

被以下引用 引理 3, VIII § 13

注 2 0097

设 K 为代数闭域,并设 A 为 K 上有限次数的代数。通过 VIII、p. 122、代数的注 4,A 为半单当且仅当存在整数 n1⩾1,...,nr⩾1n_1\geqslant 1, . . . , n_r\geqslant 1 使得 A 同构于代数Mn1(K)×⋯×Mnr(K)\mathbf{M}_{n_1}(K)\times \cdots \times \mathbf{M}_{n_r}(K)。

引用了 1

引用了 注 4, VIII § 7

命题 2 0098

a) 半单环的中心是半单。

引用了 1 · 被以下引用 3

引用了 推论 1, VIII § 7

被以下引用 推论 1, VIII § 12, 定理 2, VIII § 13, 命题 5, VIII § 14

b) 半单环的逆环是半单。

c) 半单环与双边理想的商为半单环。

d) 半单环有限族中的乘积是半单环。

设A为半单环。它同构于简单环的有限族 (Ai)i∈I(A_i)_{i\in I} 的乘积。 A的中心与AiA_i的中心的乘积同构,AoA^o与AioA^o_i的乘积环同构。因而,断言 a) 和 b) 由VIII、p. 121 的推论 1 得出。

设a\mathfrak{a}为A的双面理想。A-模As/aA_s/\mathfrak{a},半单A-模AsA_s的商为半单。因而(A/a(A/\mathfrak{a})-模As/aA_s/\mathfrak{a}是半单; 断言 c)如下。

环是半单当且仅当它同构于简单环的有限族的乘积; 断言 d)如下。

(i) 环 A 是半单。

(ii) 环 A 为阿廷的并减少 (V, §6, No. 7, p. 34)。

(iii) 环 A 同构于交换域有限族中的乘积。

可交换简单环为交换域 (VIII, p. 120, 注 1)。因而 (i) 等价于 (iii)。

显然,(iii) 暗示着(ii)。相反,假设环 A 是阿廷的并减少了。 A 素理想的集合的交由 A 的幂零元 (V, §15, No. 1, p. 118, 命题 2) 组成,因此由于 A 约简而被约等于 0。到VIII、p. 2,则存在 A 的不同素理想 p1,...,pr\mathfrak{p}_1, . . . ,\mathfrak{p}_r,使得我们有 p1∩⋯∩pr=0\mathfrak{p}_1\cap \cdots \cap \mathfrak{p}_r= 0。由VIII、p. 8的推论,阿廷环A的每个素理想pi\mathfrak{p}_i都是最大的;因而,只要 ii 和 jj 不同,我们就有pi+pj=A\mathfrak{p}_i+\mathfrak{p}_j= A。由I, §8, No. 11、p. 110、典范同态中的命题 9,从A到环∏i=1r(A/pi)\prod^r_{i=1}(A/\mathfrak{p}_i)是同构。对于每个 ii,环 A/piA/\mathfrak{p}_i 是域,因而 (ii) 意味着 (iii)。

有限次数超过域的交换代数是阿廷的交换环。因而,命题 3 概括了V, §6, No. 7、p. 34 的命题 5。

2. Modules over a Semisimple Ring

(i) 环 A 是半单。

(ii) 每个 A-模都是半单。

(iii) 存在生成的和半单A-模。

(iv) 存在忠实且半单A-模且对模有限生成。

(v) 每个 A-模都是投影。

(vi) 每个单生 A-模都是射影的。

∗*对于半单环的其他刻画,请参见X, §8的命题 6,no4^o4,第1页。 140.∗140.*

我们首先证明(i)蕴涵(ii)和(v)。假设环 A 是半单,并考虑左A-模 M。到假设,A-模 AsA_s 是半单,所以每个自由A-模都是半单。到II, §1, No. 11、p. 218的命题20,从L到M存在自由A-模L和满射A-线性映射uu。令N为uu的核。由于A-模L为半单,因此L中存在半单子模N′N'对N进行补充(VIII,p. 56,定理1)。 A-模 N′N' 是射影,而 uu 诱导同构从 N′N' 到 M。因而,M 是半单和射影。

(ii) ⇒\Rightarrow (iii):如果每个A-模都是半单,那么A-模AsA_s就是半单;而且是生成的。

(iii) ⇒\Rightarrow (iv):如果 M 为生成A-模,则它是忠实的(VIII,p. 80,定理 1 的推论),并且其对模是有限生成的(VIII,p. 99,推论 1)。

(iv) ⇒\Rightarrow (i):令 M 忠实且半单A-模且对模有限生成。由VIII、p. 8的引理 4,存在自然数mm,使得AsA_s与MmM^m的子模同构。 A-模 MmM^m 是半单,因而AsA_s 也是。

蕴涵 (v) ⇒\Rightarrow (vi) 是直接的。

(vi) ⇒\Rightarrow (i):假设每个单生 A-模都是射影的。设 a\mathfrak{a} 为 A 的左理想。由于 A-模 As/aA_s/\mathfrak{a} 是射影,因此存在 A 的左理想 b\mathfrak{b},使得 AsA_s 为 a\mathfrak{a} 和 b\mathfrak{b} 的直和 (II, §2, No. 2, p. 231, 命题4)。因而,环 A 为半单(VIII、p. 135、定理 1)。

引理 1 009B

设A为左阿廷的环,设M为单A-模。那么环AMA_M就简单了。

引用了 2 · 被以下引用 2

引用了 命题 5, VIII § 1, 命题 1, VIII § 7

被以下引用 命题 5, 命题 8

由于环 A 为左阿廷的,因此对于环 AMA_M,通过VIII、p. 7 的命题 5 也是如此。现在,M是一个忠实且简单的AMA_M模块,因此环AMA_M很简单(VIII,p. 119,命题1)。

命题 5 009C

假设环 A 是半单。令 M 为左A-模。 M 的对模是有限生成的,我们有 AM=AM′′A_M= A''_M。

引用了 5 · 被以下引用 3

引用了 引理 1, VIII § 7, 引理 1, VIII § 5. 。 交换, 命题 1, 命题 4, VIII § 5

被以下引用 习题 15, § 14, 定理 5, VIII § 14, 命题 8

首先考虑M为单A-模的情况。到引理 1,环 AMA_M 就很简单了。然后从 VIII、p. 120 的引理 1 得出命题 5。

现在考虑一般情况。 单A-模类集合 S\mathscr{S} 是有限的(VIII、p. 136、命题 1)。对于λ∈S\lambda \in \mathscr{S},类λ\lambda的选择A-模SλS_{\lambda},并用DλD_{\lambda}表示SλS_{\lambda}交换子的相反域。将引理 1 应用于简单的环 ASλ,SλA_{S_{\lambda}}, S_{\lambda} 是有限维向量空间超过域 DλD_{\lambda};用 m(λ)m(\lambda ) 表示其维数。设B为M的自同态环的逆环。我们在VIII,p. 84中看到,存在(Dλ(D_{\lambda},B)-双模VλV_{\lambda},简单如B-模和同构 (A(A, B)-从 M 到 ⊕λ∈SSλ⊗DλVλ\oplus_{\lambda\in\mathscr{S}}S_{\lambda}\otimes_{D_{\lambda}}V_{\lambda} 的双模。由于 B-模,M 与 ⊕λ∈SVλm(λ)\oplus_{\lambda\in\mathscr{S}}V^{m(\lambda)}_{\lambda} 同构的。由于 S\mathscr{S} 和 m(λ)m(\lambda ) 是有限的,因而 M 是有限生成的 B-模。

A-模 M 为半单,其对模是有限生成的。因而,我们有 VIII、p. 83 中的 AM=AM′′A_M= A''_M × 命题 4。

命题 6 009D

令 M 为有限生成的半单A-模。用 SM\mathscr{S}_M 表示其支持度 (VIII, p. 66),并用 B 表示其自同态环。对于类 λ\lambda 的每个 λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M、选择单A-模 SλS_{\lambda},并表示左B-模坎A(Sλ,M)_A(S_{\lambda},M) VλV_{\lambda}。

引用了 4 · 被以下引用 3

引用了 VIII § 4. 。 半单模, 命题 5, VIII § 5, 命题 1, 命题 4

被以下引用 命题 5, VIII § 12, 定理 5, VIII § 14, 命题 11

a) 环 B 为半单。

b)从M的支撑SM\mathscr{S}_M到单B-模的类的集合,映射λ↦\lambda \mapstocl(Vλ_{\lambda})为双射。

c) 对于每个λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,A-模 M 的型 λ\lambda 的同型成分等于B-模 M 的型 VλV_{\lambda} 的同型成分。

被视为 B-模,M 是半单(VIII、p. 85、命题 5)且忠实。它的对模是有限生成的,因为我们有 AM⊂A_M\subset EndB(M)_B(M)。因而,环 B 为半单 (命题 4)。如果 (x1,...,xr)(x_1, . . . , x_r) 是 A-模 M 的生成的序列,则从 BsB_s 到 MrM^r 的映射 b↦(bx1,...,bxr)b\mapsto (bx_1, . . . , bx_r) 是 B 线性且单射的。每个单B-模都同构于 BsB_s 的子模 (VIII, p. 136, 命题 1),因此同构于 M 的 B-子模。 命题则紧随 VIII 的命题 5, p. 85。

命题 7 009E

设A为半单环。

引用了 3 · 被以下引用 1

引用了 II § 2. 。 模线性映射。二元性, 推论 4, II § 2, 命题 4

被以下引用 命题 11

a) 每个有限生成A-模都是自反的 (II, §2, No. 7, p. 239)。

b) 对于每个简单的左A-模 S,右A-模 S∗S^* 对偶于 S 是简单的,并且从单A-模类集合到映射 λ↦\lambda \mapsto cl(λ∗\lambda^*) 定义双射集合类单右A-模。

c) 令 M 为有限生成的左A-模。 右A-模 M∗M^* 对偶 M 是有限生成的,并且与 M 具有相同的长度。此外,对于每个单A-模 S,我们都有 [M:S]=[M∗:S∗][M : S] = [M^*: S^*]。

设M为有限生成A-模。

由 VIII、p. 138、A-模的命题 4 M 是有限生成且射影的;因而,根据II, §2, No. 7、p. 240的推论4,它是自反的。特别是,每个单A-模都是自反的。还可以得出结论,两个有限生成的左模同构当且仅当它们的对偶同构。

令 S 为简单的左A-模。设(Ti)i∈I(T_i)_{i\in I}是单右A-模的族,直和是S的对偶S∗S^*。由于S是自反的,所以它与(S∗)∗(S^*)^*同构的,因此与∏i∈ITi∗\prod_{i\in I}T^*_i同构的。 模 TiT_i 中的每一个都是自反的;特别是,每 i∈Ii\in I 就有 Ti∗≠0T^*_i\not= 0。由于单模 S 与 ∏i∈ITi∗\prod_{i\in I}T^*_i 同构的,集合 I 有一个元素,因此 S∗S^* 是简单的。

由于M是半单并且是有限生成的,所以它是简单子模S1,...,SrS_1, . . . ,S_r的直和。那么M∗M^*同构于S1∗,...,Sr∗S^*_1, . . . ,S^*_r族的直和,我们刚刚看到模Si∗S^*_i是简单的。 断言 c) 紧随其后。

3. 因子 / 半单环

在这个小节中,我们考虑半单环A。

我们用S\mathscr{S}(VIII,p. 51)表示简单的左A-模的类集合;它是有限的(VIII、p. 136、命题 1)。对于每 λ∈S\lambda \in \mathscr{S},我们有选择单A-模 SλS_{\lambda} 类 λ\lambda。我们用bλ\mathfrak{b}_{\lambda}表示它的湮没子,用DλD_{\lambda}表示它的交换端A(Sλ)_A(S_{\lambda})的相反的域。

命题 8 009F

a) 对于每个 λ∈S,Sλ\lambda \in \mathscr{S},S_{\lambda} 都是超过域 DλD_{\lambda} 的有限维右向量空间。当经过求商时,映射a↦aSλa\mapsto a_{S_{\lambda}}定义环同构从A/bλA/\mathfrak{b}_{\lambda}到EndDλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda})。

引用了 3 · 被以下引用 4

引用了 引理 1, 命题 5, 命题 7, VIII § 5

被以下引用 引理 2, VIII § 14, 推论, 例, 命题 15

b) 对于每个λ∈S\lambda \in \mathscr{S},环A/bλA/\mathfrak{b}_{\lambda}很简单,并且从A到∏λ∈SA/bλ\prod_{\lambda\in\mathscr{S}}A/\mathfrak{b}_{\lambda}的典范同态ψ\psi是环同构。

环 A/bλA/\mathfrak{b}_{\lambda} 与 ASλA_{S_{\lambda}} 同构的。通过VIII、p. 139中的引理 1,这个环就简单了。给定的从A/bλA/\mathfrak{b}_{\lambda}到EndDλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda})的映射可以用从ASλA_{S_{\lambda}}到ASλ′′A''_{S_{\lambda}}的映射来识别。到VIII、p. 139中的命题5,是同构。

A-模AsA_s是半单,忠实且平衡。 同态ψ\psi可以与态射识别,从AsA_s的双交换到∏λ∈S\prod_{\lambda\in\mathscr{S}}结束Dλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda}),即同构(VIII,p. 86,命题7, c))。

简单的环A/bλA/\mathfrak{b}_{\lambda}称为型λ\lambda的A的单因子。

例 009G

令 K 为代数闭交换域,并令 A 为 K 上有限次数的半单代数。令(Vi)i∈I(V_i)_{i\in I} 为单A-模的族,使得每个单A-模同构于唯一的ViV_i。那么 I 是有限集合 (VIII, p. 136, 命题 1), 向量空间 ViV_i 是域 K 上的有限维,ViV_i 的交换子等于K⋅1ViK\cdot 1_{V_i}(VIII、p. 47、定理 1)和映射 a↦(aVi)i∈Ia\mapsto (a_{V_i})_{i\in I} 是从 A 到 ∏i∈I\prod_{i\in I} EndK(Vi)_K(V_i) (命题 8) 的代数同构。

我们将 (VIII, p. 50) 最小双面理想定义为集合或非零的双面理想中的最小元素,按包含排序。在其他字中,A的最小双面理想a\mathfrak{a}是(A(A,A)-sAd_sA_d的子双模。同样,我们将A的最大双面理想定义视为A的真双面理想集合的极大元素。A的最大双面理想a\mathfrak{a}只是sAd_sA_d(VIII,的最大(A(A,A)子双模, p. 48、定义 2)。如果环 A 是简单的,那么理想 0 是 A 的最大双边理想,A 是最小双边理想。

对于任何λ∈S\lambda \in \mathscr{S},我们用aλ\mathfrak{a}_{\lambda}表示A-模AsA_s的型λ\lambda的同型成分。对于 S\mathscr{S} 中的任意子集 Λ,我们集合 aΛ=∑λ∈Λaλ\mathfrak{a}_{\Lambda}=\sum_{\lambda\in\Lambda}\mathfrak{a}_{\lambda}。

引用了 5

引用了 定理 1, VIII § 3, 命题 1, 命题 8, VIII § 3. 。 单模, 定义 2, VIII § 3

命题 9 009H

a) 通过包含A的双面理想S\mathscr{S}子集和集合BA\mathscr{B}_A阶集合P(S)\mathfrak{P}(\mathscr{S})。 映射Λ↦aΛ\Lambda \mapsto \mathfrak{a}_{\Lambda}是从P(S)\mathfrak{P}(\mathscr{S})到BA\mathscr{B}_A的有序集中的同构。

引用了 1 · 被以下引用 3

引用了 命题 8, VIII § 5

被以下引用 引理 12, VIII § 16, 命题 12, 命题 15

b) A 的最小两侧理想是理想 aλ\mathfrak{a}_{\lambda}。

c) 对于每个λ∈S\lambda \in \mathscr{S},我们都有bλ=aS−{λ}\mathfrak{b}_{\lambda}=\mathfrak{a}_{\mathscr{S}-\{\lambda\}},理想bλ\mathfrak{b}_{\lambda}是A的最大两侧理想。

d) 对于从 aλ\mathfrak{a}_{\lambda} 到 A/bλA/\mathfrak{b}_{\lambda} 的 A-模,从 A 到 A/bλA/\mathfrak{b}_{\lambda} 诱导同构的每个 λ∈S\lambda \in \mathscr{S}、典范映射。

断言 a) 源自命题 8,d) 的 VIII,p. 87 应用于A-模 AsA_s。由此可见,A 的最小两侧理想是 aλ\mathfrak{a}_{\lambda},最大两侧理想是理想 cλ=aS−λ\mathfrak{c}_{\lambda}=\mathfrak{a}_{\mathscr{S}-\lambda}(对于 λ∈S\lambda \in \mathscr{S})。

仍然要显示 bλ\mathfrak{b}_{\lambda} 中的等式以及每 λ∈S\lambda \in \mathscr{S} 的 cλ\mathfrak{c}_{\lambda}。令λ\lambda和μ\mu在S\mathscr{S}中不同。 SλS_{\lambda}A-子模aμSλ\mathfrak{a}_\mu S_{\lambda}是x∈Sλx\in S_{\lambda}从aμ\mathfrak{a}_\mu到SλS_{\lambda}线性映射a↦axa\mapsto ax像并。因而,它是零,我们有aμ⊂bλ\mathfrak{a}_\mu\subset \mathfrak{b}_{\lambda}。因而,我们有cλ⊂bλ\mathfrak{c}_{\lambda}\subset \mathfrak{b}_{\lambda},最后有cλ=bλ\mathfrak{c}_{\lambda}=\mathfrak{b}_{\lambda},因为cλ\mathfrak{c}_{\lambda}是A的最大双面理想,而bλ\mathfrak{b}_{\lambda}与A不同。

推论 009I

令 (Ai)i∈I(A_i)_{i\in I} 为从 A 到 ∏i∈IAi\prod_{i\in I}A_i 的简单环和 ff 同构的有限族。对于每个i∈Ii\in I,存在S\mathscr{S}的唯一元素φ(i)\varphi (i),使得pri∘f_i\circ f的核是bφ(i)\mathfrak{b}_{\varphi(i)}。 映射φ\varphi是双射从I到S\mathscr{S};每i∈Ii\in I从A/bφ(i)A/\mathfrak{b}_{\varphi(i)}到AiA_i映射i∘f_i\circ f诱导同构fif_i。

引用了 2

引用了 命题 10, I § 8, 命题 8

因而,ff是从A到∏λ∈SA/bλ\prod_{\lambda\in\mathscr{S}}A/\mathfrak{b}_{\lambda}的典范同构的合成和从∏λ∈SA/bλ\prod_{\lambda\in\mathscr{S}}A/\mathfrak{b}_{\lambda}到∏i∈IAi\prod_{i\in I}A_i的同构从半单环的分解的fi(f_i(“唯一性推导出来乘积简单的环”)。

让我们证明一下推论。设 i∈Ii\in I;用 bi′\mathfrak{b}'_i 表示 pri∘f_i\circ f 的核。由于简单的环AiA_i与A/bi′A/\mathfrak{b}'_i同构,因此A的双面理想bi′\mathfrak{b}'_i极大。到命题 8,c),因此存在S\mathscr{S}的唯一元素φ(i)\varphi (i),这样我们就有bi′=bφ(i)\mathfrak{b}'_i=\mathfrak{b}_{\varphi(i)}。当经过为商时,从 A/bφ(i)A/\mathfrak{b}_{\varphi(i)} 到 AiA_i pri∘f_i\circ f 定义同构 fif_i。此外,如果i≠ji\not=j和∩i∈Ibi′=0\cap_{i\in I}\mathfrak{b}'_i= 0(cf.I, §8, No. 11,p. 110,命题10),我们还有bi′+bj′=A\mathfrak{b}'_i+\mathfrak{b}'_j= A。由此和命题 8 可以得出,从I到S\mathscr{S},φ\varphi是双射。

命题 10 009J

用 Z 表示 A 的中心。对于 λ∈S\lambda \in \mathscr{S},令 ZλZ_{\lambda} 为域 DλD_{\lambda} 的中心。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 8, VIII § 5

被以下引用 命题 15

a) 映射 z↦(zSλ)λ∈Sz\mapsto (z_{S_{\lambda}})_{\lambda\in\mathscr{S}} 是同构从环 Z 到乘积 ∏λ∈SZλ\prod_{\lambda\in\mathscr{S}}Z_{\lambda}。

b) Z 理想的阶集合 IZ\mathscr{I}_Z 和 A 两侧理想的集合 BA\mathscr{B}_A 通过包含。 映射a↦aA\mathfrak{a}\mapsto \mathfrak{a}A是从IZ\mathscr{I}_Z到BA\mathscr{B}_A的有序集中的同构。 逆同构将 A 的双边理想 b\mathfrak{b} 发送到 Z 的理想 b∩Z\mathfrak{b}\cap Z。

这个命题源自VIII的命题8,p. 87应用于A-模AsA_s,其双交换子是A。

推论 009K

设 B 为环。以下属性是等效的:

被以下引用 1

被以下引用 定理 1, VIII § 14

(i) 环 B 很简单。

(ii)环B为半单,其中心为域。

(iii) 环 B 为半单,且仅存在一个类 B-简单模。

命题 11 009L

让λ∈S\lambda \in \mathscr{S}。 A的同型成分aλ\mathfrak{a}_{\lambda}既是型SλS_{\lambda}的AsA_s的同型成分,又是型Sλ∗S^*_{\lambda}的AdA_d的同型成分。此外,我们还有

引用了 3 · 被以下引用 2

引用了 引理 2, VIII § 7, 命题 6, 命题 7

被以下引用 例, VIII § 10, 注, VIII § 21

(1) [As:Sλ]=[Ad:Sλ∗]=[A_s: S_{\lambda}] = [A_d: S^*_{\lambda}] = 暗淡DλSλ_{D_{\lambda}}S_{\lambda}

和

(2) 长(A) = 长(Ao^o)=∑λ∈S=\sum_{\lambda\in\mathscr{S}}暗DλSλ_{D_{\lambda}}S_{\lambda}。

第一个断言是命题6、c)VIII、p. 139的具体情况M=AsM = A_s。 等式[As:Sλ]=[Ad:Sλ∗][A_s: S_{\lambda}] = [A_d: S^*_{\lambda}]由VIII、p. 140的命题7推出,因为左A-模AsA_s的对偶与右A-模AdA_d同构。由命题 8, a) 和 9, c)、映射 a↦aSλa\mapsto a_{S_{\lambda}} 定义同构至左A-模从 aλ\mathfrak{a}_{\lambda} 至 EndDλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda})。由于[As:Sλ][A_s: S_{\lambda}]是由定义、左A-模aλ\mathfrak{a}_{\lambda}的长度、关系[As:Sλ]=[A_s: S_{\lambda}] =暗淡DλSλ_{D_{\lambda}}S_{\lambda}从VIII的引理2得出, p. 121。最后,通过对λ\lambda取和,从(1)得到关系(2)。

学院 009M

设 A 为半单环,Z 为中心。以下集合之间存在规范的双射:

a) 简单左A-模类集合S(A)\mathscr{S}(A)

b) 单右A-模类集合 S(Ao)\mathscr{S}(A^o)

c) A 的最小双面理想的集合

d) A 的最大双面理想的集合

e) 集合 S(Z)\mathscr{S}(Z) / 类简单 Z 模块

f) Z 的最小理想的集合

g) Z 的最大理想集合。

因此,对于S\mathscr{S}(A)的每个元素λ\lambda,存在单右A-模Sλ∗S^*_{\lambda}的对应类λ∗\lambda^*,SλS_{\lambda}的对偶,A的最小双面理想aλ\mathfrak{a}_{\lambda}( 型λ\lambda的AsA_s),A的最大两侧理想bλ\mathfrak{b}_{\lambda}(单模SλS_{\lambda}的湮没子),简单Z模类Z∩aλZ\cap \mathfrak{a}_{\lambda},Z的最小理想Z∩aλZ\cap \mathfrak{a}_{\lambda},以及Z 的最大理想Z∩bλZ\cap \mathfrak{b}_{\lambda}。

命题 12 009N

设 M 为半单环 A 和SM⊂S\mathscr{S}_M\subset \mathscr{S} M 的支持度模,则 M 的湮没子 Ann(M) 为双面理想∑λ∈S−SMaλ\sum_{\lambda\in\mathscr{S}-\mathscr{S}_M}\mathfrak{a}_{\lambda},M 的迹理想τ(M)\tau (M) 为双面理想∑λ∈SMaλ\sum_{\lambda\in\mathscr{S}_M}\mathfrak{a}_{\lambda}。特别地,A是Ann(M)的直和和τ(M)\tau (M)。

引用了 2

引用了 VIII § 5. 。 交换, 命题 9

由定义 (VIII, p. 84),SM,\mathscr{S}_M 由M 的简单子模类组成。由于模 M 是半单,所以M 的湮没子是湮没子的交类 λ\lambda 模 bλ\mathfrak{b}_{\lambda},对于λ\lambda 穿过SM\mathscr{S}_M。现在,每 λ∈S\lambda \in \mathscr{S} (命题 9) 就有 bλ=∑μ≠λaμ\mathfrak{b}_{\lambda}=\sum_{\mu\not=\lambda}\mathfrak{a}_\mu。由于A是(aλ)λ∈S(\mathfrak{a}_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}}族的直和,所以M的湮没子确实等于∑λ∈S−SMaλ\sum_{\lambda\in\mathscr{S}-\mathscr{S}_M}\mathfrak{a}_{\lambda}。

通过定义(VIII,p. 80),理想迹τ(M)\tau (M)是从M到AsA_s由A-线性映射的像生成的AsA_s的A-子模。因为M是半单,所以说τ(M)\tau (M)是由AsA_s的简单子模与类属于到SM\mathscr{S}_M生成的。因此我们有 τ(M)=∑λ∈SMaλ\tau (M) =\sum_{\lambda\in\mathscr{S}_M}\mathfrak{a}_{\lambda}。

推论 009O

设 M 为模超过半单环 A。以下属性是等效的:

引用了 1

引用了 定理 1, VIII § 5

(i) A-模 M 是忠实的。

(ii) M 的支持度等于S\mathscr{S}。

(iii) A-模 M 为生成的。

事实上,M 忠实的说意味着它的湮没子减少到0,并且当且仅当它的迹等于A(VIII,p. 80,定理1)时,M才是生成的。

4. 幂等和半单环

设 A 为环。回想一下,如果我们有 e2=ee^2=e,则 A 的元素 ee 被称为幂等(I, §1, No. 4,p. 7)。那么它也是 A 的逆环 AoA^o 的幂等元素。

命题 13 009P

a) A 的左理想 a\mathfrak{a} 在 AsA_s 中承认补充当且仅当 A 中存在幂等 ee 使得 a=Ae\mathfrak{a}= Ae。理想的a\mathfrak{a}由A的元素xx组成,使得x=xex=xe。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 14, II § 1

被以下引用 注 2

b) 令ee和ff在A中幂等。当且仅当我们有ef=eef=e时,我们才有Ae⊂AfAe\subset Af。

c) 设 M 为 A-模。则 M 是射影且单生的当且仅当 A 中存在幂等ee,使得 M 与 AeAe 同构的。

A-模 AsA_s 的自同态是 A 的乘法与元素的右边。A-模 AsA_s 中的投影算子因此是映射 x↦xex\mapsto xe 其中ee在A中是幂等的。此外,AsA_s的子模是左理想,这样子模承认补充当且仅当它是投影算子的像(II, §1, No. 9,p. 211, 命题14)。 断言a)如下。

关系 Ae⊂AfAe\subset Af 相当于e∈Afe\in Af。根据a),它等于e=efe=ef; 断言 b)如下。

如果 A-模 M 是单生的,则存在满射A-线性映射 u:As→Mu: A_s\rightarrow M。此外,如果 M 是射影的,则存在 AsA_s 的子模 a\mathfrak{a} 与 uu 的核的补充。然后从a\mathfrak{a}到M的uu诱导同构。相反,如果M与AsA_s的直因子同构,则它是单生且射影的。 断言 c) 因此由 a) 得出。

注 1 009Q

设a\mathfrak{a}为A的左理想。由上述证明和集合的II, §1, No. 8、p. 209、映射e↦A(1−e)e\mapsto A(1-e)定义双射的命题12推论A 中的幂等 ee 使得 A 的左理想 b\mathfrak{b} 的 a=Ae\mathfrak{a}= Ae 到集合使得 As=a⊕bA_s=\mathfrak{a}\oplus \mathfrak{b}。

引用了 1

引用了 推论, II § 1

注 2 009R

令 ee 和 ff 在 A 中是幂等的。通过命题 13, b),当且仅当 ef=eef=e 和 fe=ff e=f 时,我们才有 Ae=AfAe= Af。因而,如果环 A 是可交换的,则关系 Ae=AfAe= Af 等价于 e=fe=f。这一般不成立,如例A=M2(Z),e=(1000)A =\mathbf{M}_2(\mathbf{Z}), e = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}和f=(1010)f = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}所示。

如果 ee′=ee'= e′e=0e'e= 0,我们说环 A 中的幂等ee 和 e′e' 是正交的。令 (ei)i∈I(e_i)_{i\in I} 为 A 中成对正交幂等的有限族。因为我们有

(∑iei)2=∑iei2+∑i≠jeiej=∑iei (\sum_ie_i)^2=\sum_ie^2_i+\sum_{i\not=j}e_ie_j=\sum_ie_i

A 的元素 ∑i∈Iei\sum_{i\in I}e_i 是幂等的。

A 中幂等 ee 的划分是 A 中成对正交幂等的有限族 (ei)i∈I(e_i)_{i\in I},使得 e=∑i∈Ieie=\sum_{i\in I}e_i。如果存在不同于 0 和 ee 的成对正交幂等的 ee 由……组成中的划分,我们说 A 中的幂等 ee 是可分解的;在相反的情况下,我们说它是不可分解的。观察到 0 是可分解幂等的。

引用了 1

引用了 命题 13

命题 14 009S

令 ee 为 A 中的幂等。

被以下引用 1

被以下引用 注 3

a) 如果(ei)i∈I(e_i)_{i\in I}是ee中的划分,则A-模AeAe是家庭(Aei)i∈I(Ae_i)_{i\in I}的直和。

b) 令 (ai)i∈I(\mathfrak{a}_i)_{i\in I} 为 A 的左理想有限族,其中直和 AeAe。对于i∈Ii\in I,用eie_i表示ai\mathfrak{a}_i中ee的分量。那么(ei)i∈I(e_i)_{i\in I}就是ee的划分,每一个i∈Ii\in I就有ai=Aei\mathfrak{a}_i= Ae_i。

c) A-模 AeAe 不可分解当且仅当幂等 ee 不可分解。

设(ei)i∈I(e_i)_{i\in I}为ee的划分。对于每个 i∈Ii\in I,我们有

eie=∑jeiej=ei2+∑j≠ieiej=ei e_ie=\sum_je_ie_j=e^2_i+\sum_{j\not=i}e_ie_j=e_i

因而Aei⊂AeAe_i\subset Ae。对于每个i∈Ii\in I,我们通过设定pi(x)=xeip_i(x) =xe_i在AeAe中得到定义一个A线性投影算子pip_i。如果i≠ji\not=j,我们就有pipj=0p_ip_j= 0,并且对于AeAe中的每个xx,

x=xe=∑ixei=∑ipi(x) x=xe=\sum_ixe_i=\sum_ip_i(x)

因而,(II, §1, No. 8,p. 20,命题1212),Ae, Ae是pip_i的像中的直和。现在,我们有eei=eie=eiee_i=e_ie=e_i,所以pip_i中的像是AeiAe_i。这就证明了a)。

取 b) 的记号和假设。让i∈Ii\in I。从eie_i属于到AeAe,我们有ei=eie=∑jeieje_i=e_ie=\sum_je_ie_j。由于对于每个jj,AeAe是aj\mathfrak{a}_j和eieje_ie_j属于到aj\mathfrak{a}_j的直和,因此对于i≠ji\not=j,我们有ei=eieie_i=e_ie_i和eiej=0e_ie_j= 0。在其他字中,(ei)i∈I(e_i)_{i\in I}是幂等ee的划分。根据a),AeAe是AeiAe_i的直和。到假设,我们有Aei⊂aiAe_i\subset \mathfrak{a}_i,AeAe是ai\mathfrak{a}_i的直和。因而,每 i∈Ii\in I 就有 Aei=aiAe_i=\mathfrak{a}_i。我们已经证明了b)。

最后,c) 紧随 a) 和 b) 之后。

注 3 00R8

应用之前对 A 的逆环的结果,我们特别看到,单生右A-模 M 是射影的,当且仅当 A 中存在幂等 ee 使得 M 与 eAeA 同构的。此外,当且仅当ee不可分解时,eAeA是不可分解的权利模。

现在假设环 A 为半单,并用S\mathscr{S} 表示简单左A-模的类的集合。 A-模AsA_s是半单,AsA_s的每子模是直因子。设a\mathfrak{a}为A的左理想。由上可知,A中存在幂等ee,使得a=Ae\mathfrak{a}= Ae,且A-模a\mathfrak{a}是简单的当且仅当它是不可分解的,即当且仅当ee不可分解时。

令 (mi)i∈I(\mathfrak{m}_i)_{i\in I} 为 A 的最小左理想族,这样我们就有 As=⊕i∈ImiA_s=\oplus_{i\in I}\mathfrak{m}_i。到命题 14 时,存在 1 由……组成的划分 (εi)i∈I(\varepsilon_i)_{i\in I} 不可分解幂等,使得每 i∈Ii\in I 就有 mi=Aεi\mathfrak{m}_i= A\varepsilon_i。

对于每个λ∈S\lambda \in \mathscr{S},令SλS_{\lambda}为类λ\lambda的A-模,并令aλ\mathfrak{a}_{\lambda}为A-模AsA_s的型λ\lambda的同型成分。由于 A 是族 (aλ)λ∈S(\mathfrak{a}_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}} 的直和,因此存在 1 的划分 (eλ)λ∈S(e_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}},使得每个 λ∈S\lambda \in \mathscr{S} 都有 aλ=Aeλ\mathfrak{a}_{\lambda}= Ae_{\lambda}。对于λ∈S\lambda \in \mathscr{S},用指标i∈Ii\in I的I(λ)I(\lambda )集合表示,使得单A-模mi\mathfrak{m}_i为型λ\lambda。到命题 4, b) of VIII, p. 65,我们有

aλ=⨁i∈I(λ)mi(3) \mathfrak{a}_{\lambda}=\bigoplus_{i\in I(\lambda)}\mathfrak{m}_i \tag{3}

幂等eλe_{\lambda}是aλ\mathfrak{a}_{\lambda}中1的组成部分,所以eλ=∑i∈I(λ)εie_{\lambda}=\sum_{i\in I(\lambda)}\varepsilon_i。

引用了 2

引用了 命题 14, 命题 4, VIII § 4

命题 15 009T

假设环 A 是半单。

引用了 5 · 被以下引用 2

引用了 VIII § 4. 。 半单模, 命题 8, 命题 9, 命题 10, 命题 5, VIII § 4

被以下引用 VIII § 21. 。 线性表示有限群, 注, VIII § 21

a) 对于每个 λ∈S,eλ\lambda \in \mathscr{S},e_{\lambda} ,唯一元素中心 Z 满足关系 (eλ)Sλ=1Sλ(e_{\lambda})_{S_{\lambda}}= 1_{S_{\lambda}} 和(eλ)Sμ=0(e_{\lambda})_{S_\mu}= 0 μ≠λ\mu\not=\lambda。

b) 环 Z 中的不可分解幂等是eλe_{\lambda},Z 的最小理想是λ∈S\lambda \in \mathscr{S} 的ZeλZe_{\lambda}。

c) 设 M 为 A-模和 (Mλ)λ∈S(M_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}} 其同型组分族。与M的分解关联到MλM_{\lambda}(VIII,p. 65)的直和的投影算子族是((eλ)M)λ∈S((e_{\lambda})_M)_{\lambda\in\mathscr{S}},每个λ∈S\lambda \in \mathscr{S}有Mλ=aλMM_{\lambda}=\mathfrak{a}_{\lambda}M。

令λ\lambda和μ\mu在S\mathscr{S}中不同。我们有eλ∈aλe_{\lambda}\in \mathfrak{a}_{\lambda},aλ\mathfrak{a}_{\lambda}包含在A-模SμS_\mu的湮没子bμ\mathfrak{b}_\mu中(VIII,p. 142,命题9)。因此我们有(eλ)Sμ=0(e_{\lambda})_{S_\mu}= 0。 关系 (eλ)Sλ=1Sλ(e_{\lambda})_{S_{\lambda}}= 1_{S_{\lambda}} 紧随其后,因为我们有 1=∑ν∈Seν1 =\sum_{\nu\in\mathscr{S}}e_{\nu}。 断言 a) 则为命题 8 of VIII, p. 141 中的推论。

令λ\lambda位于S\mathscr{S}中。 A 的双边理想 aλ\mathfrak{a}_{\lambda} 由元素 xx 组成,使得 x=xeλx=xe_{\lambda};因此我们有 Z∩aλ=ZeλZ\cap \mathfrak{a}_{\lambda}= Ze_{\lambda},因而 b) 乘以命题 10,b)。

让我们证明c)。令xx为M的元素。对于每个λ∈S\lambda \in \mathscr{S},我们有eλ∈aλe_{\lambda}\in \mathfrak{a}_{\lambda}。由于从AsA_s到M的映射a↦axa\mapsto ax是A线性的,所以我们有aλx⊂Mλ\mathfrak{a}_{\lambda}x\subset M_{\lambda}(VIII,p. 66,命题5),特别是eλx∈Mλe_{\lambda}x\in M_{\lambda}。我们有1=∑λ∈Seλ1 =\sum_{\lambda\in\mathscr{S}}e_{\lambda},因此有x=∑λ∈Seλxx=\sum_{\lambda\in\mathscr{S}}e_{\lambda}x。因而,eλxe_{\lambda}x是MλM_{\lambda}中xx的分量。

注 4 009U

假设环 A 是半单。令 (ei)i∈I(e_i)_{i\in I} 为 A 的中心 Z 中非零的幂等的 1 由……组成的划分。如果 Card(I) = Card(S\mathscr{S}),则 eie_i 是 Z 中不可分解的幂等。

被以下引用 1

被以下引用 命题 10, VIII § 21

习题

参见习题为 § 8。

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