Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из разложения Данфорда )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В математике разложение Жордана – Шевалле , названное в честь Камиллы Жордана и Клода Шевалле , выражает линейный оператор как сумму его коммутирующей полупростой части и его нильпотентной части. Мультипликативное разложение выражает обратимый оператор как произведение его коммутирующих полупростой и унипотентной частей. Разложение легко описать, если дана жорданова нормальная форма оператора, но оно существует при более слабых предположениях, чем существование жордановой нормальной формы. Аналоги разложения Жордана-Шевалле существуют для элементов линейных алгебраических групп , алгебр Ли, и группы Ли , и разложение является важным инструментом в изучении этих объектов.

Разложение линейного оператора [ править ]

Рассмотрим линейные операторы в конечномерном векторном пространстве над полем. Оператор T является полупростым, если каждое T-инвариантное подпространство имеет дополнительное T-инвариантное подпространство (если базовое поле алгебраически замкнуто , это то же самое, что и требование диагонализуемости оператора ). Оператор x является нильпотентным, если некоторая его степень x m является нулевым оператором. Оператор х является унипотентна , если х  - 1 нильпотентна.

Теперь пусть x - любой оператор. Разложение Жордана – Шевалле x является выражением его в виде суммы

х = х s + х n ,

где x s полупрост, x n нильпотентен, а x s и x n коммутируют. Более совершенное поле , [1] такое разложение существует (ср #Proof единственности и существования ), разложение является уникальным, и х с и х п являются полиномы х без каких - либо постоянных условий. [2] [3] В частности, для любого такого разложения над совершенным полем оператор, коммутирующий с x, также коммутирует с x s и xп .

Если x - обратимый оператор, то мультипликативное разложение Жордана – Шевалле выражает x как произведение

х = х s · х и ,

где x s полупрост, x u унипотентен, а x s и x u коммутируют. Опять же, над совершенным полем такое разложение существует, разложение единственное, а x s и x u - многочлены от x . Мультипликативный вариант разложения следует из аддитивного, поскольку, как легко видеть, он обратим,

и односторонен. (И наоборот, используя аргументы того же типа, можно вывести аддитивную версию из мультипликативной.)

Если x записан в жордановой нормальной форме (относительно некоторого базиса), то x s - это эндоморфизм, матрица которого содержит только диагональные члены x , а x n - эндоморфизм, матрица которого содержит только недиагональные члены; x u - эндоморфизм, матрица которого получается из жордановой нормальной формы делением всех элементов каждой жордановой клетки на ее диагональный элемент.

Доказательство уникальности и существования [ править ]

Единственность следует из того факта, что они полиномиальны по x : если есть другое разложение такое, что и коммутируют, то , и оба коммутируют с x , следовательно, с . Теперь сумма коммутирующих полупростых (соответственно нильпотентных) эндоморфизмов снова полупроста (соответственно нильпотентна). Поскольку единственным оператором, который является одновременно полупростым и нильпотентным, является нулевой оператор, следует, что и .

Мы показываем существование. Пусть V - конечномерное векторное пространство над совершенным полем k и эндоморфизмом.

Сначала предположим, что базовое поле k алгебраически замкнуто. Тогда векторное пространство V имеет разложение в прямую сумму где каждый является ядром , то обобщенное подпространством и х стабилизирует , то есть . Теперь определим так, чтобы для каждого было скалярное умножение на . Обратите внимание, что с точки зрения базиса, отвечающего разложению прямой суммы, это диагональная матрица; следовательно, это полупростой эндоморфизм. Так как тогда чья -м мощность равна нулю, то также нильпотентен, устанавливающая существование разложения.

(Тщательно выбирая базис для каждого из них , можно затем поместить x в нормальную форму Жордана и получить диагональную и недиагональную части нормальной формы. Но здесь это не требуется.)

То, что они являются многочленами от x, следует из китайской теоремы об остатках . Действительно, пусть будет характеристический многочлен от х . Тогда это произведение характеристических многочленов от ; т.е. также (потому что, как правило, нильпотентная матрица уничтожается при увеличении до размера матрицы). Теперь китайская теорема об остатках, примененная к кольцу многочленов, дает многочлен, удовлетворяющий условиям

(для всех i).

(Есть избыточность в условиях, если некоторые из них равны нулю, но это не проблема; просто удалите это из условий.)

Условие , если оно прописано, означает, что для некоторого полинома . Так как это нулевая карта , и договоримся по каждому ; то есть . Также тогда с . Условие гарантирует это и не имеет постоянных условий. Это завершает доказательство алгебраически замкнутого полевого случая.

Если k - произвольное совершенное поле, пусть будет абсолютная группа Галуа поля k . По первой части мы можем выбрать многочлены над такими, что есть разложение на полупростую и нильпотентную части. Для каждого дюйма ,

Теперь - многочлен от ; так и есть . Таким образом, и ездят. Кроме того, очевидно , что приложение сохраняет полупростоту и нильпотентность. Таким образом, в силу единственности разложения (по ), и . Следовательно, являются -инвариантным; т.е. они являются эндоморфизмами (представляемыми матрицами) над k . Наконец, поскольку содержит -базис, который охватывает пространство, содержащее , по тем же аргументам, мы также видим, что коэффициенты в k . Это завершает доказательство.

Краткое доказательство с использованием абстрактной алгебры [ править ]

( Jacobson 1979 ) доказывает существование разложения как следствие основной теоремы Веддерберна . (Этот подход не только краток, но и делает роль предположения, что базовое поле будет более четким.)

Пусть V - конечномерное векторное пространство над совершенным полем k , эндоморфизмом и подалгеброй, порожденной x . Отметим, что A - коммутативное артиново кольцо . Основная теорема Веддерберна утверждает: для конечномерной алгебры A с радикалом Джекобсона J , если она сепарабельна, то естественная сюръекция расщепляется; т. е. содержит полупростую подалгебру такую, что является изоморфизмом. [4] В данной схеме сепарабелен, поскольку базовое поле совершенно (поэтому теорема применима) и J Также нильрадикал А . Затем существует разложение в векторное пространство . В частности, эндоморфизм x можно записать как где находится in и in . Теперь образ x генерируется ; таким образом , полупрост и является многочленом от x . Кроме того, нильпотентен, поскольку нильпотентен, и является многочленом от x, поскольку есть.

Критерий нильпотентности [ править ]

Разложение Жордана можно использовать для характеристики нильпотентности эндоморфизма. Пусть k - алгебраически замкнутое поле характеристики нуль, кольцо эндоморфизмов k над рациональными числами и V - конечномерное векторное пространство над k . Учитывая эндоморфизм , пусть разложение Жордана. Тогда диагонализируется; т.е. где каждый - собственное подпространство для собственного значения с кратностью . Тогда для любого пусть будет эндоморфизм такой, что умножение на . Шевалье вызывает на реплику из дается. (Например, если , то комплексное сопряжение эндоморфизма является примером реплики.) Теперь,

Критерий нильпотентности  -  [5] нильпотентен (т. Е. ) Тогда и только тогда, когда для каждого . Также, если , то достаточно выполнения условия комплексного сопряжения.

Доказательство: во- первых, поскольку нильпотентен,

.

Если - комплексное сопряжение, это означает, что для каждого i . В противном случае примем за -линейный функционал, за которым следует . Применяя это к приведенному выше уравнению, получаем:

и, поскольку все являются действительными числами, для каждого i . Тогда изменение линейных функционалов влечет для каждого i .

Типичным применением указанного выше критерия является доказательство критерия Картана разрешимости алгебры Ли. Он говорит: если есть подалгебра Ли над полем k характеристики нуль, такая, что для каждого , то разрешима.

Доказательство: [6] Без ограничения общности предположим, что k алгебраически замкнуто. По теореме Ли и теоремы Энгеля , достаточно показать для каждого , является нильпотентным эндоморфизмом V . Напишите . Затем нам нужно показать:

равно нулю. Пусть . Заметим, что у нас есть: и, поскольку является полупростой частью разложения Жордана , следует, что это многочлен без постоянного члена в ; следовательно, и то же самое верно с вместо . То есть, что подразумевает утверждение с учетом предположения.

Контрпример к существованию над несовершенным полем [ править ]

Если основное поле не является совершенным , разложения Жордана – Шевалле может не существовать. Пример: пусть p будет простым числом, пусть будет несовершенным по характеристикам , и выберите в нем не- ю степень. Позвольте , пусть и пусть будет -линейный оператор, полученный умножением на in . Это имеет в качестве своих инвариантно- линейных подпространств в точности идеалы рассматриваемого как кольца, которые соответствуют идеалам содержания . Поскольку неприводимо в , идеалы V суть , и . Предположим для поездки на работу-линейные операторы и, которые являются соответственно полупростыми (чуть более , чем полупростота над алгебраическим замыканием ) и нильпотентными. Поскольку и коммутируют, каждый из них коммутирует с и, следовательно, действует -линейно на . Следовательно, и даются умножением на соответствующие члены и , с . Поскольку нильпотентен, он нильпотентен в , поэтому in , for является полем. Следовательно, следовательно, для некоторого полинома . Также мы это видим . Поскольку характерно , имеем . Кроме того, поскольку in , у нас , следовательно, in . Поскольку у нас есть . Объединяя эти результаты, мы получаем . Это показывает, что порождает как -алгебру и, следовательно, -стабильные -линейные подпространства в являются идеалами , т.е. они являются , и . Мы видим, что это -инвариантное подпространство, в котором нет дополнительного -инвариантного подпространства, вопреки предположению, что оно является полупростым. Таким образом, не существует разложения в сумму коммутирующих -линейных операторов, полупростых и нильпотентных соответственно. Отметим, что минимальный многочлен отнеотделима сверху и является квадратом внутри . Можно показать, что если минимальный многочлен линейного оператора отделим, то имеет разложение Жордана-Шевалле и что если этот многочлен является произведением различных неприводимых многочленов от , то полупрост над .

Аналогичные разложения [ править ]

Мультипликативная версия разложения Жордана-Шевалле обобщается до разложения в линейной алгебраической группе, а аддитивная версия разложения обобщается до разложения в алгебре Ли.

Алгебры Ли [ править ]

Обозначим через алгебру Ли эндоморфизмов конечномерного векторного пространства V над совершенным полем. Если - разложение Жордана, то - разложение Жордана на векторном пространстве . Действительно, сначала, а ездят с тех пор . Во-вторых, в общем случае для каждого эндоморфизма мы имеем:

  1. Если , то , поскольку - это разность левого и правого умножения на y .
  2. Если полупросто, то полупросто. [7]

Следовательно, в силу уникальности, и .

Если - конечномерное представление полупростой конечномерной комплексной алгебры Ли, то сохраняет разложение Жордана в смысле: если , то и . [8]

Вещественные полупростые алгебры Ли [ править ]

В формулировке Шевалле и Мостоу аддитивное разложение утверждает, что элемент X в вещественной полупростой алгебре Ли g с разложением Ивасавы g = kan может быть записан как сумма трех коммутирующих элементов алгебры Ли X = S + D + N , где S , D и N сопряжены с элементами из k , a и nсоответственно. В общем случае члены разложения Ивасавы не коммутируют.

Линейные алгебраические группы [ править ]

Пусть - линейная алгебраическая группа над совершенным полем. Тогда, по существу, по определению, существует замкнутое вложение . Теперь к каждому элементу , согласно мультипликативному разложению Жордана, существует пара из полупростого элемента и унипотентного элемента a priori в таком, что . Но, как оказывается, [9] элементы могут быть показаны как находящиеся внутри (т. Е. Они удовлетворяют определяющим уравнениям группы G ) и что они не зависят от вложения в ; т.е. разложение внутреннее.

Когда G абелева, тогда это прямое произведение замкнутой подгруппы полупростых элементов в G и подгруппы унипотентных элементов. [10]

Вещественные полупростые группы Ли [ править ]

Мультипликативное разложение утверждает, что если g является элементом соответствующей связной полупростой группы Ли G с соответствующим разложением Ивасавы G = KAN , то g можно записать как произведение трех коммутирующих элементов g = sdu с s , d и u, сопряженными с элементами из K , A и N соответственно. В общем случае члены разложения Ивасавы g = kan не коммутируют.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фактически, доказательство проходит, если факторявляется сепарабельной алгеброй; см. # Краткое доказательство с использованием абстрактной алгебры .
  2. Перейти ↑ Humphreys 1972 , Prop. 4.2, p. 17 для алгебраически замкнутого полевого случая.
  3. ^ Уотерхаус , гл. 9, упражнение 1.
  4. ^ Теория колец . 18 апреля 1972 г. ISBN 9780080873572.
  5. Перейти ↑ Serre , LA 5.17. Лемма 6.7. Эндоморфизм
  6. ^ Серр , LA 5.19. Теорема 7.1.
  7. ^ Это нелегко увидеть, но показано в доказательстве ( Джекобсон , гл. III, § 7, теорема 11). От редакции: нам нужно добавить обсуждение этого вопроса в « полупростой оператор ».
  8. ^ Фултон и Харрис , теорема 9.20.
  9. ^ Уотерхаус , теорема 9.2.
  10. ^ Уотерхаус , теорема 9.3.
  • Шевалле, Клод (1951), Теория групп Ли. Том II. Groupes algébriques , Герман, OCLC  277477632
  • Фултон, Уильям ; Харрис, Джо (1991). Теория представлений. Первый курс . Тексты для выпускников по математике , Чтения по математике. 129 . Нью-Йорк: Springer-Verlag. DOI : 10.1007 / 978-1-4612-0979-9 . ISBN 978-0-387-97495-8. Руководство по ремонту  1153249 . OCLC  246650103 .
  • Хелгасон, Сигурдур (1978), Дифференциальная геометрия, группы Ли и симметрические пространства , Academic Press, ISBN 0-8218-2848-7
  • Хамфрис, Джеймс Э. (1981), линейные алгебраические группы , выпускные тексты по математике, 21 , Springer, ISBN 0-387-90108-6
  • Хамфрис, Джеймс Э. (1972), Введение в алгебры Ли и теорию представлений , Springer, ISBN 978-0-387-90053-7
  • Джейкобсон, Натан (1979) [1962], алгебры Ли , Dover, ISBN 0-486-63832-4
  • Lazard, M. (1954), «Теория повторений. Critère de Cartan (Exposé No. 6)» , Séminaire «Sophus Lie» , 1 , архивировано с оригинала 04.07.2013.
  • Мостов, GD (1954), "Факторные пространства разрешимых групп", Ann. математики. , 60 (1): 1-27, DOI : 10,2307 / 1969700 , JSTOR  1969700
  • Мостоу, GD (1973), Сильная жесткость локально симметричных пространств , Annals of Mathematics Studies, 78 , Princeton University Press, ISBN 0-691-08136-0
  • Ланг, Серж (2002), Алгебра , Тексты для выпускников по математике , 211 (пересмотренное третье изд.), Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-95385-4, MR  1878556 , Zbl  0984.00001
  • Серр, Жан-Пьер (1992), алгебры Ли и группы Ли: лекции 1964 года, прочитанные в Гарвардском университете , конспекты лекций по математике, 1500 (2-е изд.), Springer-Verlag, ISBN 978-3-540-55008-2
  • Варадараджан, VS (1984), Группы Ли, алгебры Ли и их представления , Тексты для выпускников по математике, 102 , Springer-Verlag, ISBN 0-387-90969-9
  • Уотерхаус, Уильям (1979), Введение в схемы аффинных групп , Тексты для выпускников по математике, 66 , Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag , DOI : 10.1007 / 978-1-4612-6217-6 , ISBN 978-0-387-90421-4, Руководство по ремонту  0547117