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定理Theorem

模的组成列与 Jordan–Hölder 定理

Composition series of a module · Jordan–Hölder theorem for modules

用两条不同组成列展示因子多重集不变,以子模交叉比较证明唯一性,并计算不分裂扩张的长度。

形式陈述 ​

逐层剥离单模时,哪些结果不受剥离次序影响?设 M 是 k-代数 A 的有限维模。组成列是一条严格包含链

0=M0⊂M1⊂⋯⊂Mℓ=M,

使每个相邻商模 Mi/Mi−1 都单,称为组成因子。

Jordan–Hölder 定理断言:组成列总存在;任意两条组成列的因子同构类型及各自重数相同。次序可以改变。因此因子个数 ℓ(M) 只依赖于 M,称为长度。

有限维假设可放宽为有限长度,但不能只要求有限生成。例如 Z 是有限生成的 Z-模,却没有组成列:每个非零子模 nZ 都还包含真非零子模 2nZ,找不到组成列底端的单子模。

直觉

组成列像把一个对象装入逐层变大的盒子,每一层只新增一种不能再细分的材料。定理保证材料清单不随拆法改变,但不保存材料之间怎样接起来。

这与直和不同。组成因子是相邻两层的商,未必能在 M 内分别找到互相独立的副本。一个非分裂扩张可以有与直和相同的材料清单,却有不同的作用矩阵。

存在性来自维数下降。在所有非零子模中选择维数最小的一个 S,它必单;再对维数更小的 M/S 作同样处理,将商中的子模逐一拉回,就得到 M 的组成列。每增加一层至少增加一个维数,所以过程有限终止。

例子与边界

同一三维模的两种剥离次序 ​

令

U=k[t]/(t2),V=k[t]/(t−1),M=U⊕V.

写 u=1modt2、v=tmodt2,以及 w=1mod(t−1),则

tu=v,tv=0,tw=w.

一条组成列为

0⊂kv⊂ku+kv⊂M,

其因子依次是 S0,S0,S1,其中 Sλ 表示 t 按标量 λ 作用的一维模。

另一条为

0⊂kw⊂kv+kw⊂M,

因子依次是 S1,S0,S0。每一层都对乘 t 保持封闭;在最后一个商中,tu=v 已被商掉,所以 t 作用为零。两条链不同,清单都是两个 S0 和一个 S1。

相同清单不能重建原模 ​

比较 U=k[t]/(t2) 与 W=k⊕k,令 t 在 W 上恒为零。两者都有两个 S0 组成因子,但乘 t 在 U 上的秩为1,在 W 上的秩为0。模同构会共轭作用算子并保持秩,所以它们不同构。

这也区分了Krull–Schmidt 分解:U 是一个不可分解的二维直和块,W 却是两个一维块。Jordan–Hölder 记录相邻单商,Krull–Schmidt 记录真正的不可分解直和项。

组成因子不保留扩张中把上一层送到下一层的那部分操作。研究这些接合数据时,需要正合列的分裂性和 Ext,而不仅是因子计数。

推论与应用

唯一性的交叉比较证明 ​

对 dimk⁡M 作强归纳。比较两条组成列的最后一个真子模 N,N′。若 N=N′,则对这个维数更小的模应用归纳,再添上同一个顶因子 M/N 即可。

若 N≠N′,由于它们都是极大真子模,N+N′=M。令 K=N∩N′。自然映射给出

(1)N/K≅M/N′,N′/K≅M/N.

例如 N→M/N′ 满射来自 N+N′=M,核正是 K,这就证明第一式。两侧商都单。

给 K 选一条组成列。它后面添上 N,就是 N 的一条组成列;由归纳,它的清单等于第一条原组成列在 N 以内的清单。再添上 M,得到

{K 的因子} ⊎ {M/N′,M/N}.

通过 N′ 走第二条路线也得到同一多重集。这里 ⊎ 记录重数。归纳既证明长度相同,也证明每个同构类型的重数相同,不需要基域代数闭或特征为零。

短正合列中的长度可加 ​

若有有限维模的短正合列

0⟶L⟶M⟶N⟶0,

先取 L 的组成列,再把 N 的组成列逐层拉回 M,就得到 M 的组成列。因此

ℓ(M)=ℓ(L)+ℓ(N).

更精细地,每个单模 S 的组成重数满足 [M:S]=[L:S]+[N:S]。这个等式不要求正合列分裂。

长度与向量空间维数也不同。例如 M2(k) 的自然模 k2 是单模,其长度为1、维数为2。一般有

dimk⁡M=∑S[M:S]dimk⁡S,

而不是无条件的 ℓ(M)=dimk⁡M。

自检:对上面的三维 M,取 L=kv+kw。L≅S0⊕S1,商 M/L≅S0,所以长度为 2+1=3。这条正合列不分裂:若有单模补空间,其生成元可写为 u+av+bw,被 t 作用后得到 v+bw,不能为零;而商上的 t 作用正是零。长度加法并未抹去这个不分裂现象。

参考资料
  • P. Etingof et al., Introduction to Representation Theory,§3.4,Lemma 3.4.2;§3.7,Theorem 3.7.1 及任意特征的第二个证明。本文改从极大子模的交比较两条列。
关系图谱17 个相邻概念 · 3 类关系

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