形式陈述
为什么“由单模 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。 拼成直和”恰好意味着每个子模都能分离出来?一个左 R -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。 M 称为半单模,若它是单模的直和 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。 。零模也半单,对应空直和。
对有限长度模,下列条件等价:
M 是有限个单模的直和。
M 是单子模之和。
每个子模 N ⊆ M 都有子模补空间 U ,使 M = N ⊕ U 。
每条以 M 为中间项的短正合列 0 → N → M → Q → 0 都分裂 公理库 分裂正合列 Split exact sequence · Splitting lemma 短正合列通过同态截面或回缩与子对象和商对象相容地分解。 。
一般模也有相同刻画,其中允许无限直和;下面用有限情形说明完整机制。含幺环 R 称为半单环,是指正则左模 R R 半单。一个给定模半单,并不表示它的标量环半单。
直觉
向量空间中的线性补空间总存在;模的补空间还须受到全部标量操作的保护。半单性要求每次切出一个子模后,剩余部分仍能选为同样合法的模,而不是仅作向量空间补。
投影给出最直接的检验。若 M = N ⊕ U ,则投影 p : M → N 满足 p 2 = p ,并且 p ( r m ) = r p ( m ) 。反过来,一个这样的 R -线性投影给出 M = N ⊕ ker p 。如果手中投影只对基域线性,就还没有解决模的分裂问题。
例子与边界
矩阵代数的正则模按列拆开
令 A = M 2 ( k ) 。作为左模,
A = A e 11 ⊕ A e 22 . 第一项为仅第一列可非零的矩阵,第二项为仅第二列可非零的矩阵;每项都同构于自然单模 k 2 。投影为
p 1 ( X ) = X e 11 , p 2 ( X ) = X e 22 . 例如 p 1 ( B X ) = B X e 11 = B p 1 ( X ) ,所以它确实左 A -线性。正则模四维,却只含两份二维单模。
这里是右乘给出左模投影。左乘 e 11 一般不是左 A -线性,因为 e 11 B 不必等于 B e 11 。把两种乘法混用,会制造出错误的“补模”。
一个找不到补模的理想
取 R = k [ t ] / ( t 2 ) 。理想 N = ( t ) 一维。若有子模补空间 U ,则 U 必由某个 1 + a t 生成。可是
t ( 1 + a t ) = t ∉ k ( 1 + a t ) , 所以这条直线不是子模。正则模 R 因而不半单。
但 R / ( t ) ≅ k 是单模,当然半单。这清楚地区分“某个模半单”与“环上所有模都半单”。
对角线子模不必是原先的坐标块
把 k 2 = k ⊕ k 看作 k -模。对角线 { ( a , a ) : a ∈ k } 是单子模,却不是任一坐标轴。因此半单模的子模不能简单地描述成“删掉若干原有直和项”。它有子模补空间,但分解的具体嵌入通常不唯一。
推论与应用
从单模之和构造补模
设 M = S 1 + ⋯ + S n ,每个 S i 单,并固定子模 N 。从 U = 0 开始,逐次选择 S i ,维持 U ∩ N = 0 。如果 N + U ≠ M ,必有某个 S i 不包含在 N + U 中。
S i ∩ ( N + U ) 是 S i 的子模,既不等于 S i ,就只能为0。因此可以将 U 增大为 U ⊕ S i ,仍与 N 零交。有限步后必有 N + U = M ,这就构造了子模补空间。
特别地取 N = 0 ,同一过程把“单模之和”化成“单模直和”。若已知每个子模都有补模,则在非零 M 中选一个单子模 S ,分出 M = S ⊕ U ,再对组成长度 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。 更小的 U 归纳,就得到半单分解。分裂正合列的刻画则由投影与截面直接给出。
半单模的子模与商模也半单。对 M = N ⊕ U ,商 M / N ≅ U ;另一方面,向 N 的模投影将 M 中每个单子模送成0或单子模,这些像之和为 N ,因此 N 半单。
半单环为何控制全部有限生成模
如果 R R 半单,则 R n 也半单。任意有限生成模 M 都是某个 R n 的商,故也半单。对有限维代数,这已经覆盖全部有限维表示。Maschke 定理 公理库 Maschke 定理 Maschke's theorem 当域特征不整除有限群阶时,每个有限维表示都完全可约。 在群阶可逆时提供了这一现象的一个重要来源,但补模刻画本身不需要群平均。
若想进一步把半单代数写成具体矩阵块,Artin–Wedderburn 定理 公理库 Artin–Wedderburn 结构定理 Artin–Wedderburn theorem · Wedderburn–Artin theorem 由正则模的端同态环证明矩阵除代数分块,并显式构造实群代数R[C3]与R×C的同构。 会利用正则模的单模分解,计算它的端同态环。
自检:给 k 2 上的算子 T = ( 0 1 0 0 ) ,把 t 作用定义为 T 。到 k e 1 的所有线性投影可写为
P = ( 1 a 0 0 ) . 但 P T = T 、T P = 0 ,所以没有一个投影与 T 交换。这个计算将“没有模补空间”变成一组无解的线性方程。
参考资料