形式陈述
把一个模嵌入内射模时,怎样判断外面没有包上多余的部分?嵌入 称为本质扩张,若 的每个非零子模公理库子模Submodule对加法和标量乘法封闭的模子集。都与 有非零交。若 还是内射模公理库内射模Injective module任意定义在子模上的映射都能延拓到母模、等价地使反变 Hom 函子正合的模。,则称它为 的内射包络。
本文主要处理有限维 -代数 的有限维左模。此时内射包络存在、仍有限维,并且在固定 上相容的同构意义下唯一。它是最小的内射扩张:若 且 内射,则 。
“本质”可以逐个向量检查:对任意 ,须有 使 。这是将本质扩张定义应用于循环子模 ;反向也显然成立。
直觉
投射盖公理库投射盖Projective cover用小核和顶层同构刻画投射盖,以最小维数与Fitting分解证明存在唯一,并构造截断多项式模的最小分解。从外面满射到目标,要求源不能再缩小;内射包络把目标放进更大的空间,要求新增部分没有完全绕开目标的独立子模。
任何非零子模都必须碰到原模,意味着不能从包络里切出一个与原模毫无接触的分量。因此“添加一个任意内射直和项”通常会破坏本质性,虽然总对象仍内射。
例子与边界
截断多项式环中的最小内射扩张
令 ,定义线性函数 为读取 系数。配对
在基 下的矩阵为
行列式公理库行列式Determinant交换含幺环上方阵的交替多线性标量不变量。为 ,在任意特征都非零。故 给出左 -模同构 ,其中 。
右正则模 自由,所以其对偶 内射,理由见下节。于是 自身是内射左模。
将单模 嵌入 为 。任意非零元素 ,取最低非零次数 ,再乘 ,就得到非零的 倍数。因此每个非零子模都与 相交,这个嵌入本质。结论是
不是仅一维的 本身。
若换成 ,仍把它放在第一项的 中,则第二项是一个与 零交的非零子模。因此这个内射扩张不是包络。
不能把所有有限维代数都当作自身内射
在箭图 中,令 、。若 内射,恒等 应能从包含 延拓为 。
但交换方块要求第二顶点映射乘以箭头恒等后为零,故第二顶点映射只能为零,不能限制成恒等。于是 不内射。它却是一个投射模,说明有限维条件并未使投射与内射成为同一性质。 这条箭图的路径代数作为左正则模为 ;若 自身内射,其直和项 也会内射,与上面的延拓失败矛盾。
推论与应用
对偶把投射对象变成内射对象
有限维向量空间对偶公理库对偶空间Dual space给定向量空间到标量域的全部线性泛函组成的向量空间。是反变正合函子,并自然满足 。左右作用按
互换;这也可以用相反代数公理库相反代数与双模Opposite algebra · Bimodule用矩形矩阵说明右作用为何反转复合,构造双模的张量积代数作用并核验端同态环中的 op。表述。
若 为有限生成投射右 -模,则对任意左模 ,有自然同构
右侧先作平衡张量积公理库张量积Tensor product把双线性映射统一因子化为线性映射,并可在交换环上的模中以平衡关系构造的张量积。再取对偶。 是有限自由右模的直和项,所以 正合;向量空间的对偶也正合。因此左侧 Hom 函子正合, 内射。这一论证实际允许 任意维。
从投射盖构造包络
给右模 取投射盖公理库投射盖Projective cover用小核和顶层同构刻画投射盖,以最小维数与Fitting分解证明存在唯一,并构造截断多项式模的最小分解。 ,核记为 。对偶得到
且 内射。
证明嵌入本质。利用有限维非退化对偶,将 视为 。若非零子模 与 零交,则线性代数的零化子公式给
是真右子模,而投射盖的小核条件要求 ,矛盾。故 确为内射包络。
唯一性不需要指定一份首选延拓
设 、 都是内射包络。 的内射性把 上的恒等映射延拓为 。由于 ,本质性迫使 。
内射,故其像 在 中有一个直和补项 。这个 与 零交,再由 的本质性得到 。所以 为同构。相同论证说明,包络内任何包含 的内射子模都已是整个包络。
延拓通常不唯一,因此内射包络不是“到所有内射扩张都有唯一箭头”的泛对象。唯一的是带嵌入的对象的同构类型;不要把存在唯一同构类误写成唯一同态。
自检:在 中,把 送到理想 ,映射为 。它单射,且 包含基座 ,仍与每个非零子模相交。因此这份二维模的内射包络也为三维 。包络大小取决于作用结构,不能仅按“多添一个维数”来定义。
参考资料
- The Stacks Project,§47.2,Tag 08XI,Definition 47.2.1、Lemma 47.2.4;§47.5,Tag 08Y1,Definition 47.5.1、Lemma 47.5.3:本质扩张及包络唯一性。本文的有限维构造通过左右模对偶独立给出。
- Roman Bezrukavnikov,MIT 18.706,Lecture 06,2023,§6.2:对偶构造所用的投射盖。