形式陈述
一个代数中,哪些操作在所有单模上都不起作用?设 A 是有限维含幺结合 $k$-代数 公理库 域上的结合代数 Associative algebra over a field · Unital associative algebra 从双线性乘法和结构常数定义含幺代数,用上三角乘法表构造并核验一个三维表示。 。其 Jacobson 根定义为
为 单 模 J ( A ) = ⋂ S 为单 A -模 Ann A ( S ) . 每个零化理想 公理库 单模与零化理想 Simple module · Annihilator of a module 分类二阶上三角代数的全部单模,计算零化理想,并区分单性、一维性、忠实性与不可分解性。 都是双边理想 公理库 理想 Ideal 对加法成子群且吸收环乘法的子集。 ,因此 J ( A ) 也是。它还等于全部极大左理想之交。
在有限维条件下,J ( A ) 是幂零理想,并包含每个幂零双边理想;A / J ( A ) 为半单代数。因此它是将有限维代数与其半单商区分开的典范理想。
“幂零理想”要求存在同一个 N ,使任取 N 个该理想的元素相乘都为零。它比“某个元素幂零”强得多。即使一个矩阵 x 满足 x 2 = 0 ,也不保证 x ∈ J ( A ) 。
直觉
单模只记录不能再分割的作用。某个操作可能在每个单层上都为零,却在多层模中把上层推到下层。Jacobson 根正是收集这些在单层观测中消失的操作。
对一个有有限层数的模,反复施加根中的元素会不断降低层次,最终到达零。有限维代数的正则模本身也是有限层的,因此这幅图不仅解释根的作用,还证明整个根理想幂零。
例子与边界
严格上三角部分就是根
设 A = T 3 ( k ) 为三阶上三角矩阵代数,令
N = k e 12 + k e 13 + k e 23 . 它是双边理想,且
N 2 = k e 13 , N 3 = 0. 因此每个单模都被 N 零化,证明见下节。商 A / N ≅ k 3 ,有三个单模 S i = k ,分别让矩阵按第 i 个对角元作用。这些单模的零化理想之交恰为对角元全零的 N 。故
J ( A ) = N . 例如 e 23 可把自然模的第三个基向量送到第二个,再由 e 12 送到第一个;第三次严格上三角操作只能把它送到零。乘积 e 12 e 23 = e 13 ≠ 0 也证明幂零指数恰为3。
一个幂零矩阵却不在根中
在 B = M 2 ( k ) 中,自然模 k 2 单且忠实,所以 J ( B ) ⊆ Ann B ( k 2 ) = 0 。然而 e 12 2 = 0 。
关键区别是:k e 12 在整个 M 2 ( k ) 中不是双边理想。例如 e 21 e 12 = e 22 ,而 e 22 非幂零。不能将全部幂零元素不加区别地拼成 Jacobson 根;在非交换环里,它们甚至未必对加法封闭。
有限维条件不能拿掉
形式幂级数环 公理库 形式幂级数 Formal power series 以系数序列为本体并按 Cauchy 卷积运算、不预设解析收敛的无穷级数。 k [ [ t ] ] 只有一个极大理想 ( t ) ,因此 Jacobson 根为 ( t ) ,但 t n ≠ 0 对每个 n 成立。有限维论证中的有限层数在这里消失了。
它还是整环,幂零根为0。因此即使在交换环里,幂零根 公理库 幂零根 Nilradical 由环中全部幂零元组成、也等于所有素理想之交的规范理想。 和 Jacobson 根也不总是相同。有限维交换代数中二者相等,是有限性带来的额外结论。
推论与应用
两个定义为何一致
若 a 零化全部单模,则对每个极大左理想 L ,它零化 A / L ;作用在 1 + L 上便得到 a ∈ L 。
反过来,若 a 属于所有极大左理想,取任意单模 S 及 0 ≠ s ∈ S 。映射 A → S , b ↦ b s 满射,其核是极大左理想,所以 a s = 0 。对每个 s 都成立,即 a ∈ Ann ( S ) 。
为什么它恰是最大的幂零双边理想
先设 I N = 0 。对单模 S ,I S 为子模。如果 I S = S ,反复代入会得 S = I N S = 0 ,矛盾。因此 I S = 0 ,即 I ⊆ J ( A ) 。
再为正则左模 A 选择组成列 公理库 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。
0 = A 0 ⊂ A 1 ⊂ ⋯ ⊂ A ℓ = A . 根零化每个因子,所以 J ( A ) A i ⊆ A i − 1 。反复作用得到 J ( A ) ℓ A = 0 。代入单位 1 A 就有 J ( A ) ℓ = 0 。
商掉根后为什么半单
因 A 有限维,可以从全部极大左理想中选有限个 L 1 , … , L r ,使交仍为 J ( A ) :只要当前交还大于 J ( A ) ,就选一个使维数严格下降的新左理想,有限步必停。于是
A / J ( A ) ↪ ⨁ i = 1 r A / L i 是左模单射。右侧半单,故其子模也半单 公理库 半单模 Semisimple module · Completely reducible module 用R-线性投影和有限增大过程证明半单模的补模刻画,比较矩阵列分解与双数环的不分裂理想。 。又因为根在两侧都作用为零,这正是 A / J ( A ) 作为自身正则模的半单性。
这给出常用判据:有限维 A 半单当且仅当 J ( A ) = 0 。一个方向来自上述论证;另一方向是根零化半单正则模,而只有零元素能通过左乘杀掉单位。
自检:若 a ∈ J ( A ) ,则 1 − a 可逆,因为有限几何级数给出
( 1 − a ) − 1 = 1 + a + ⋯ + a N − 1 当 a N = 0 。对 T 3 ( k ) 中 a = e 12 + e 23 ,逆为 1 + e 12 + e 23 + e 13 ;相乘后逐项消去即可核对。根中的扰动可以被逆掉,但这个事实并不意味着原代数已半单。
参考资料