形式陈述
有限维半单代数究竟能长成什么样?设 A ≠ 0 是含幺结合 $k$-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。 ,且 dim k A < ∞ 。Artin–Wedderburn 定理断言,以下条件等价:
正则左模 A A 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。 。
存在有限维 k -除代数 D 1 , … , D r 和正整数 n 1 , … , n r ,使
(1) A ≅ ∏ i = 1 r M n i ( D i ) . 除代数指每个非零元素可逆,但乘法不必交换。基域 k 位于其中心。因子及各自矩阵尺寸在重新排序和除代数同构之外唯一。
若 k 代数闭,所有有限维 k -除代数都为 k ,故式 (1) 化为 ∏ i M n i ( k ) 。对一般基域,不能把 D i 擅自替成 k 。
直觉
半单正则模把 A 的全部元素分解成若干种单模的副本。不同种单模之间没有非零同态,同一种单模的多份副本之间则可以任意交换、组合。这两句话分别产生“乘积中的不同块”和“块内的矩阵”。
矩阵条目不是自动来自基域,而是来自单模的端同态除环。比如实二维空间上一个不能沿实直线拆开的旋转,其交换算子仍可能像复数一样运算。定理必须容纳这类除代数。
例子与边界
实数上的三阶循环作用留下一个复数块
设 C 3 = ⟨ t : t 3 = 1 ⟩ 。其群代数可写成
R [ C 3 ] = R [ t ] / ( t 3 − 1 ) . 令 ζ = − 1 2 + 3 2 i ,定义
Φ ( f ) = ( f ( 1 ) , f ( ζ ) ) ∈ R × C . 在商环中记
e 0 = 1 + t + t 2 3 , e 1 = 1 − e 0 , j = t − t 2 3 . 由 t 3 = 1 直接得到
e 0 2 = e 0 , e 1 2 = e 1 , e 0 e 1 = 0 , e 0 j = 0 , e 1 j = j , j 2 = − e 1 . 它们在 Φ 下分别成为 ( 1 , 0 ) , ( 0 , 1 ) , ( 0 , i ) ,故逆映射为
( r , a + b i ) ⟼ r e 0 + a e 1 + b j . 这不只比较了维数,而是给出完整代数同构
R [ C 3 ] ≅ R × C . 两个单实模分别为 R 与 C 。在后者上,t 是复乘 ζ ,即实平面的 120 ∘ 旋转;没有不变实直线,所以它是二维单模。正则模包含二者各一份,总实维数为 1 + 2 = 3 。
换到复数基域,三个根 1 , ζ , ζ 2 都可分别取值,得到 C [ C 3 ] ≅ C 3 。此时有三个一维单模。半单性并没有消除基域对分解形状的影响。
并非所有有限维代数都是矩阵块乘积
k [ t ] / ( t 2 ) 的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。 为非零的 ( t ) ,所以不是半单代数。它与 k × k 都是二维向量空间,但前者有非零幂零理想,后者没有。单靠总维数无法套用结构定理。
推论与应用
从正则模算回代数
将正则左模按单模类型分组:
A A ≅ S 1 ⊕ n 1 ⊕ ⋯ ⊕ S r ⊕ n r , 其中 S i 两两不同构。Schur 引理 公理库 Schur 引理 Schur's lemma · 舒尔引理 不可约表示之间的非零交织算子必为同构,而有限维复不可约表示的自交织算子只能是标量。 的核像证明同样适用于模:非零单模同态必为同构。因此不同 S i 间的 Hom 为零,每个 E i = End A ( S i ) 是除环。
一个端同态在直和上可写成分块矩阵。异种单模之间的块都为零,同种 n i 份之间的块为 M n i ( E i ) ,于是
End A ( A A ) ≅ ∏ i M n i ( E i ) . 另一方面,左线性映射由 f ( 1 ) 决定且 f ( a ) = a f ( 1 ) ,所以它是右乘。由相反代数 公理库 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。 的复合次序,
End A ( A A ) ≅ A op . 取两侧相反代数,再以转置将相反矩阵环识别为原尺寸的相反系数矩阵环,便得
A ≅ ∏ i M n i ( E i op ) . 这证明一个方向,并给出 D i = E i op 。
反过来,M n ( D ) 的正则左模按列分成 n 份 D n 。任意非零列向量都可由矩阵操作送到全部标准基,故 D n 单。有限乘积的正则模再把各因子的列分解合起来,因此半单。
单模的各个同类分量以及其重数由半单模的同构类型确定;其端同态除环也随同构保持。因此上述构造同时说明式 (1) 的唯一性。
代数闭为何使除代数消失
取有限维 k -除代数 D 中的元素 x 。它在 k 上代数,故有非零多项式 p ( x ) = 0 。若 k 代数闭,p 可分解为一次因子,因此
0 = ∏ j ( x − λ j ) . 除代数没有零因子,所以某个 x − λ j = 0 。每个元素都属于 k ,于是 D = k 。这里不需要先假设 D 交换。
在一般基域上,维数核验应写成
dim k A = ∑ i n i 2 dim k D i . 若误用代数闭域的平方和公式检查 R [ C 3 ] ,会将单实模维数 1 , 2 的平方相加得到5,错误地认为维数不合。正确贡献是 1 2 ⋅ 1 + 1 2 ⋅ 2 = 3 。
自检要求写出 Φ − 1 ( 0 , i ) 并平方。答案是 j = ( t − t 2 ) / 3 ,平方为 − e 1 ,而非整个代数的 − 1 ;复数块的单位是 e 1 。这正是乘积块中“局部单位”的含义。
参考资料
Roman Bezrukavnikov,MIT 18.706,Lecture 02 ,2023,§2.4,Theorem 2.10:由正则模端同态环得到矩阵除环乘积。
Romyar Sharifi,Abstract Algebra , §13.1 ,Lemmas 13.1.13–13.1.17 与 Theorem 13.1.18:单模端环、相反环及 Artin–Wedderburn 结构。