形式陈述
为什么整张箭图的线性数据可以由一个代数统一控制?给采用有限有向多重图约定 公理库 有向图 Directed graph · Digraph 以顶点有序对为弧、能够保留连接方向的有限简单图结构。 的箭图 Q ,路径代数 k Q 是以全部有向路径为基的 k -空间,包含每个顶点处长度0的路径 e i 。
约定乘积 p q 表示先走 q 再走 p 。若 q 的终点等于 p 的起点,就取连接后的路径;否则乘积为零,再按双线性扩张。这样得到含幺结合代数 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。 ,单位为
1 = ∑ i ∈ Q 0 e i . 顶点路径满足 e i 2 = e i 、e i e j = 0 (i ≠ j )。若路径 p : i → j ,则
e j p = p = p e i , 其余不匹配的顶点乘积为零。
有限维箭图表示 公理库 箭图表示 Quiver representation · Representation of a quiver 从协同换基定义箭图表示,分类单箭头矩阵,并用平行箭参数与复合秩说明维数和各箭秩为何不足。 与有限维左 k Q -模 公理库 模 Module 以含幺环元素作标量、以阿贝尔群作加法结构的代数对象。 的范畴等价。有限箭图的路径代数本身有限维,当且仅当没有有向环;表示空间有限维并不要求代数也有限维。
直觉
路径记录可连续执行的操作串。向量空间允许把不同路径线性组合,代数乘法则复合这些操作。端点不匹配意味着根本无法接着运行,代数中就用零表示。
长度0的路径并非空余装饰。它们是检查当前所在顶点的投影:一个表示的总空间是各顶点空间的直和,e i 正好提取第 i 份。若删去这些路径,就会失去每个顶点的单位动作和总单位。
结合律也可在路径上直接检查。对 p , q , r ,若两个接缝都匹配,( p q ) r 与 p ( q r ) 是同一条串接路径;只要一个接缝不匹配,两边都为零。双线性再把结论推广到路径的线性组合。
例子与边界
三顶点链给出六维三角代数
取
1 → a 2 → b 3. 全部路径为 e 1 , e 2 , e 3 , a , b , b a ,因此 dim k k Q = 6 。将它们依次送到
E 11 , E 22 , E 33 , E 21 , E 32 , E 31 给出 k Q 与三阶下三角矩阵代数的同构。例如 b a 对应 E 32 E 21 = E 31 ,而 a b = 0 对应 E 21 E 32 = 0 。采用相反的箭头方向会得到上三角版本,不能在中途更换乘法约定。
令顶点空间为 V 1 = k 2 , V 2 = k 3 , V 3 = k 2 ,箭头为 A , B 。在总空间 V 1 ⊕ V 2 ⊕ V 3 上,a 只在 V 1 → V 2 的块放入 A ,b 只在 V 2 → V 3 的块放入 B ,b a 的对应块自然为 B A 。六条路径已经决定全部代数作用。
一个环给出无限维代数
一顶点一个环 t 的路径为 1 , t , t 2 , … ,故路径代数为 k [ t ] 。给它一个有限维模,只需选一个矩阵 T ,让 t m 作用为 T m 。路径代数无限维,不妨碍某个表示有限维。 若改取带关系商代数 公理库 带关系箭图代数 Bound quiver algebra · Quiver with relations 用路径理想表达交换与零关系,计算交换菱形的九维商,并说明可容许条件和无关系同调公式的边界。 k [ t ] / ( t 3 ) ,只剩三维,并额外要求表示矩阵满足 T 3 = 0 ;路径自由串接与满足关系后的作用是两种不同的数据。
一顶点两个环 x , y 给出自由非交换代数 k ⟨ x , y ⟩ 。路径 x y 与 y x 是不同基元,除非另加关系。它不是通常的交换多项式环 k [ x , y ] 。
推论与应用
两种语言的双向翻译
从箭图表示 V 出发,取总空间 公理库 直和 Direct sum · Internal direct sum 把对象组织为来自指定分量的唯一有限和;向量空间的内直和对应求和映射单射,外直和保留分量标签。 M = ⨁ i V i 。让 e i 为投影,箭头按给定线性映射作用,长路径按箭头复合作用。路径乘法与算子复合一致,因此得到 k Q -模。
反过来,对 k Q -模 M ,正交幂等元与 ∑ i e i = 1 给出向量空间直和
M = ⨁ i e i M . 对箭 a : i → j ,等式 a = e j a e i 保证左乘 a 将 e i M 送到 e j M ,这就是对应的箭头映射。模同态与各 e i 、各箭头交换,恰好等价于逐顶点同态满足交换方块。
这两个构造在自然同构意义下互逆。注意 e i M 一般只是顶点子空间,不必是整个 k Q 的子模,因为离开顶点 i 的箭头可能把它送往别的顶点。
路径长度与根的幂
令 J Q 为全部正长度路径张成的理想。其第 m 次幂由长度至少 m 的路径张成。若 Q 无有向环且有 n 个顶点,则路径长度至多 n − 1 ,所以 J Q n = 0 ,而
k Q / J Q ≅ k Q 0 半单。于是 J Q 就是Jacobson 根 公理库 有限维代数的 Jacobson 根 Jacobson radical of a finite-dimensional algebra 将所有单模看不见的操作组成Jacobson根,用组成列证明幂零性,并在上三角代数中逐次计算其幂。 。三顶点链中 J Q 2 = k ( b a ) 、J Q 3 = 0 ,代数的根层正好看见路径长度。
有环时这句话不再自动成立。一环代数 k [ t ] 的箭理想 ( t ) 非零,但其 Jacobson 根为0;不能仅凭路径叫作“箭头”就把它放进根。
自检:对没有箭头的两个顶点,全部路径只有 e 1 , e 2 ,所以 k Q ≅ k × k 。一个模恰好分成两份互不连接的空间。再加入一条箭后,新增一个可搬运分量的操作;这解释了为什么上三角代数不等于两个域的乘积。
参考资料