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定义Definition

不可分解模

Indecomposable module

用模端同态中的幂等元判定不可分解,计算二维幂零作用与三直线配置,并区分单性和标量端环。

形式陈述 ​

一个模不能拆成两个部分时,怎样把这件事转成可解的算子方程?非零模 M 称为不可分解,若每当

M=N⊕P

为模的直和时,N,P 至少有一个为零。

一个直接的判据是

(1)M 不可分解⟺EndR(M) 的幂等元仅为 0,1.

幂等端同态指满足 e2=e 的模同态 e:M→M。在有限维表示中,可先解“与全部生成操作交换”的线性方程得到端同态空间,再在其中解 e2=e。

单模必不可分解,但反向不成立。单性禁止任何真非零子模;不可分解性仅禁止一对子模互为补空间。

直觉

一次直和分解等价于一块合法投影。沿一个分量保留、沿另一分量清零的算子必须与所有标量作用相容,才算模内部的投影。

因此判断不可分解时,不用逐个猜测全部子模和补模。先找所有允许的自映射,再看其中能否容纳一个非平凡投影。单个生成元时这是矩阵交换方程,多生成元或箭图时则是一组相互耦合的交换方块。

例子与边界

一个有子模却没有合法投影的二维模 ​

令 t 在 k2 上作用为

N=(0100).

X=(abcd) 为 k[t]-模端同态,当且仅当 XN=NX。逐项比较得到 c=0,d=a,所以

Endk[t](M)={aI+bN:a,b∈k}.

要求 (aI+bN)2=aI+bN,得到

a2=a,(2a−1)b=0.

域中 a 只能为0或1,此时 2a−1 分别为 −1 或1,即使特征为2也非零。因此 b=0,幂等元只有0和1,M 不可分解。

但 ke1=ker⁡N 是真非零子模,所以 M 不单。端同态代数还含非零幂零元 N;不可分解并不意味着其端同态代数一定是除环。

三条直线锁住一个二维中心 ​

考虑四顶点箭图,三个一维叶空间都指向二维中心 k2,映射的像分别为

k(1,0),k(0,1),k(1,1).

一个表示端同态在中心为矩阵 T。前两条箭要求它保持两条坐标轴,所以 T=diag(a,b);第三条箭要求保持 k(1,1),于是 a=b。三个叶上的标量也必须都是同一个 a。

故整个表示的端同态代数为 k,只能有0、1两个幂等元,该表示不可分解。它仍非单:将全部叶空间取0、中心取任意一条直线,就得到真非零子表示。这个例子说明,“端同态只有标量”在一般表示中也不推出单性。

幂等元必须在正确的端同态环内 ​

对 M2(k) 的自然模 k2,线性投影 e11 确实幂等,却不是 M2(k)-模端同态。它不与 e12 交换,因此不符合式 (1)。忽略 R-线性,会把本来单的自然模错误地拆开。

推论与应用

幂等判据的双向证明 ​

若 e2=e,则 ime 与 ker⁡e 都是子模。每个 m 可写为

m=e(m)+(m−e(m)),

第二项在核中。若 x=e(y) 同时在核中,则 0=e(x)=e2(y)=e(y)=x,所以交为零。得到

M=ime⊕ker⁡e.

这只使用模同态的核与像都是子模,以及模线性,不需要有限维。

反向若 M=N⊕P,投影 e(n+p)=n 为模端同态,且 e2=e。当两项都非零时,e 既非0也非1,证明式 (1)。

有限维保证存在某种不可分解分解 ​

若有限维 M 尚可分解,就将它拆成两个维数更小的非零子模,再分别继续。每个最终分量至少一维,所以过程有限终止。它给出不可分解块的存在;不同拆法是否最终相同,还需要 Krull–Schmidt 定理。

自检:令 M=k2 且 t 作用为零。所有 2×2 矩阵都与该作用交换,所以 e=diag(1,0) 是非平凡模幂等元,其像与核分别为两条坐标轴。两份二维模的组成因子相同,区别却已经被端同态环中的投影清楚识别。

参考资料
  • Roman Bezrukavnikov,MIT 18.706,Lecture 04,2023,Definition 4.11 与 Remarks 4.13–4.14:不可分解及幂等判据。
  • C. M. Ringel,“Quivers and their representations”,§§1.2–1.3:子空间配置与不可分解表示。本文对三条直线直接解端同态方程。
关系图谱12 个相邻概念 · 4 类关系

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