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定义Definition

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。

形式陈述 ​

右作用怎样改写成左作用,两个标量代数怎样同时作用而不打架?设 A 是含幺结合 $k$-代数。它的相反代数 Aop 保留同一向量空间和单位,将乘法改为

a⋆b=ba.

因此一个右 A-模 M 等价于一个左 Aop-模:规定 aopm=ma。右模公理 (ma)b=m(ab) 正好等于新左作用的结合律。

若 M 同时有左 A-作用和右 B-作用,且

(am)b=a(mb),

就称它为 (A,B)-双模。这里还要求两边的 k-标量作用一致。双模等价于左 A⊗kBop-模,其中

(1)(a⊗bop)m=amb.

这个张量积代数的乘法为

(a⊗bop)(a′⊗b′op)=aa′⊗(b′b)op.

当 A=B 时,A⊗kAop 常称为 A 的包络代数。此名称在这里指控制双模的代数,不是 Lie 代数的泛包络代数。

直觉

左边的操作写在向量左侧,后执行的左操作继续添在左侧;右边的操作则添在右侧。因此把右乘当作普通左算子时,复合顺序天然反过来。相反代数负责记录这个顺序,不是给非交换乘法补上交换律。

双模则允许从两侧操作同一个对象,要求左右动作可以互换。最直观的对象是矩形矩阵:左乘改变行的组合,右乘改变列的组合。矩阵的结合律保证先改行再改列与先改列再改行相同。

式 (1) 为什么保乘法,可以直接追踪一个 m:

a(a′mb′)b=aa′m(b′b).

右侧出现 b′b,恰好是相反代数中的乘法。若漏掉 op,右边就会错误地变成 bb′。

例子与边界

矩形矩阵携带两个不同代数的作用 ​

取

M=M2×3(k),A=M2(k),B=M3(k).

通常矩阵乘法给出 (A,B)-双模。用 Eij 表示合适尺寸的矩阵单位,有

(2)EabEijEcd=δbiδjcEad.

于是 Eab⊗Ecdop 只读取 M 的 (b,c) 坐标,并把它放到 (a,d) 坐标。六个输入位置和六个输出位置的全部配对都出现,所以

M2(k)⊗M3(k)op⟶Endk(M)

实际上是同构:式 (2) 将两侧各自的 36 个矩阵单位基一一对应。

一个明确的次序反例 ​

在右侧 M3(k) 中取 b=E12、b′=E23,并令 Rb(m)=mb。则

Rb∘Rb′(m)=mE23E12=0,

但 bb′=E13,所以 Rbb′(m)=mE13 一般不为零。例如 m=E11∈M2×3(k) 时,结果为 E13。故 b↦Rb 不是 B→Endk(M) 的同态,而是 Bop→Endk(M) 的同态。

左右分别是作用还不够成为双模。在 M=k2 上,若把两个非交换矩阵分别当作左侧和右侧生成元的作用算子,它们可能不交换;此时 (am)b=a(mb) 失败,式 (1) 无法给出张量积代数的作用。

推论与应用

正则模的端同态为什么带一个 op ​

把 A 看作左 A-模。若 f:A→A 左线性,则

f(a)=af(1).

所以每个端同态都是右乘某个 c=f(1)。记该映射为 Rc,便有

Rc∘Rd=Rdc,EndA(AA)≅Aop.

这个等式是 Artin–Wedderburn 证明中必须保留的方向信息。即使矩阵转置能给 Mn(k) 与自身相反代数一个同构,一般代数也不能因此直接删去 op。

双模可以连接两个不同的模范畴 ​

若 P 是 (A,B)-双模,而 N 是左 B-模,则平衡张量积 P⊗BN 成为左 A-模,作用为

a(p⊗n)=(ap)⊗n.

其良定义依赖双模交换律:张量关系 pb⊗n=p⊗bn 经左乘 a 后仍成立,因为 a(pb)=(ap)b。因此“把 B-模变成 A-模”的操作可以由一个双模实现。

自检:取列空间 P=k2 为 (M2(k),k)-双模,行空间 Q=(k2)∗ 为 (k,M2(k))-双模。映射

P⊗kQ→M2(k),v⊗φ↦vφ

将 vi⊗vj∗ 送到 Eij,所以是双模同构。反向的 Q⊗M2(k)P→k 由评价 φ⊗v↦φ(v) 给出;矩阵单位关系使所有非对角项消失,并让两个对角项相等。这个一维商就是 Morita 等价的基本例子。

参考资料
  • Roman Bezrukavnikov,MIT 18.706,Lecture 08,2023,§8.2,Definition 8.7 及张量函子:双模、相反环与跨环作用。
  • P. Etingof et al., Introduction to Representation Theory,§2.3 的左右模,§9.6 的端同态相反代数。
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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