形式陈述
组成因子能否按一个不依赖任意选择的次序排成层?设 A 是有限维代数,M 是有限维左 A -模,记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。 为 J 。根滤过是
M ⊇ J M ⊇ J 2 M ⊇ ⋯ ⊇ 0. M / J M 称为顶层,记作 top M 。
基座 soc M 是 M 中全部单子模 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。 之和。它是最大的半单子模。递归定义
soc 0 M = 0 , soc i + 1 M / soc i M = soc ( M / soc i M ) . 右式先对商模 公理库 商模 Quotient module 按子模诱导的陪集等价关系取商并继承模运算的结构。 取基座,再通过商映射取原像来确定左侧子模。在本页有限维条件下,
(1) soc i M = { m ∈ M : J i m = 0 } . 两条滤过的相邻商都半单,但一层可以含多个单模,不必是一条组成列。最小的 r 使 J r M = 0 ,也等于最小的 r 使 soc r M = M ,称为 Loewy 长度;零模长度约定为0。
直觉
根层从上往下看:先忽略所有可以由根中操作产生的向量,得到最外面的半单商;再问这些被忽略的向量内部还藏着多少层。
基座层从下往上看:先找那些已经被根完全杀掉的向量;将它们商去后,再找新出现的最底层。两边使用同一个 J ,却通常得到不同的中间子模。
Jordan–Hölder 定理 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。 只保证最终的单模材料清单一致;根与基座滤过进一步告诉我们,哪些材料在顶部或底部同时出现。它们仍不记录所有层间连接方式。
例子与边界
四维模的两条典范滤过
取
A = k [ t ] / ( t 3 ) , M = A ⊕ A / ( t ) . 选基 u , v , w , z ,使
t u = v , t v = w , t w = t z = 0. 这里 J = ( t ) 。从像得到根滤过:
M ⊃ span ( v , w ) ⊃ k w ⊃ 0 , 维数依次为 4 , 2 , 1 , 0 。从核得到基座滤过:
0 ⊂ span ( w , z ) ⊂ span ( v , w , z ) ⊂ M , 维数依次为 0 , 2 , 3 , 4 。
顶层 M / J M 由 u ¯ , z ¯ 生成,含两个单模;基座由 w , z 生成,也含两个单模,但它们并不是同一份子空间数据。两条滤过都需三步走到尽头,Loewy 长度为3。
图片加载失败 左列箭头表示乘t,右列表示包含;括号数字为维数 层相同,连接参数仍可能不同
令
B = k [ x , y ] / ( x 2 , x y , y 2 ) . 对每个 λ ∈ k ,在二维空间 M λ = k v + k w 上规定
x v = w , x w = 0 , y v = λ w , y w = 0. 所有次数二乘积作用为零,故确为 B -模。根为 ( x , y ) ,每个 M λ 的顶层和基座都各为一个相同的单模,且 J M λ = k w 。
若 F : M λ → M μ 是模同构,记两边 x 的非零作用为 N 。由 F N = N F 以及 F λ N = μ N F ,得到
( λ − μ ) F N = 0. F 可逆且 N ≠ 0 ,所以 λ = μ 。因此即使两条滤过的全部层都相同,模也可能不同构。
推论与应用
根就是所有单商都看不见的部分
每个从 M 到单模的同态都杀掉 J M ,所以 J M 包含在所有极大子模之交中。反过来,M / J M 是半单模 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。 ,因为 J 作用为零,而 A / J 是半单代数。
若 m ∉ J M ,它在半单商中有一个非零单分量;投影到该分量给出一个单商,不杀掉 m 。因此 m 不属于对应极大子模。于是
为 极 大 子 模 J M = ⋂ N 为极大子模 N . 特别地,任何到半单模的映射都经过 M / J M 。这说明顶层是最大的半单商,而不是任意选择出来的一组组成因子。
基座为什么是被根杀掉的向量
根杀掉每个单子模,所以 soc M ⊆ { m : J m = 0 } 。后者本身是一个 A / J -模,因而半单,必包含在最大的半单子模中。两者相等。
将这个结论用于 M / soc i M ,得到
m ∈ soc i + 1 M ⟺ J m ⊆ soc i M ⟺ J i + 1 m = 0 , 归纳即证式 (1)。同样,J 杀掉 J i M / J i + 1 M ,所以每个根层都半单。由于 J 幂零,两条滤过都在有限步结束。
按层核验映射
任意模同态 公理库 模同态 Module homomorphism 同时保持加法与标量乘法的模之间映射。 f : M → N 都满足
f ( J i M ) ⊆ J i N , f ( soc i M ) ⊆ soc i N . 前者由 f ( a m ) = a f ( m ) ,后者由 J i m = 0 ⇒ J i f ( m ) = 0 。因此各层数据可作为模同构的必要条件,也能帮助构造最小的投射盖 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。 与内射包络 公理库 内射包络 Injective envelope · Injective hull 用本质扩张刻画内射包络,从有限维投射盖经对偶构造它,并显式计算k[t]/(t³)上单模的包络。 。
自检:删去四维例子中的独立向量 z ,剩下 A 的正则模。根层为 A ⊃ ( t ) ⊃ ( t 2 ) ⊃ 0 ,基座层为 0 ⊂ ( t 2 ) ⊂ ( t ) ⊂ A ,这次两条链恰好反向一致。加入一个被 t 立即杀掉的独立分量后,这种巧合就消失了。不能把一个 Jordan 长链中的对称图形当作一般定理。
参考资料
Roman Bezrukavnikov,MIT 18.706,Lecture 04 ,2023,§4.1,Definitions 4.1、4.3 与 Example 4.5:基座与顶端滤过。
同课程 Lecture 05 ,Corollary 5.7:用 J i M 与 J i 的零化子描述两条滤过。本文限有限维模,使用通常的有限 Loewy 长度约定。