Теорема Энгельса - Википедия - Engels theorem

В теория представлений, раздел математики, Теорема Энгеля утверждает, что конечномерная алгебра Ли ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ это нильпотентная алгебра Ли если и только если для каждого ${ displaystyle X in { mathfrak {g}}}$, то сопряженная карта

${ displaystyle operatorname {ad} (X) двоеточие { mathfrak {g}} to { mathfrak {g}},}$

данный ${ Displaystyle OperatorName {ad} (X) (Y) = [X, Y]}$, это нильпотентный эндоморфизм на ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$; т.е. ${ displaystyle operatorname {ad} (X) ^ {k} = 0}$ для некоторых k.^[1] Это следствие теоремы, также называемой теоремой Энгеля, которая гласит, что если алгебра Ли матриц состоит из нильпотентных матриц, то все матрицы можно одновременно привести к строго верхнетреугольный форма.

Теорема названа в честь математика Фридрих Энгель, который обрисовал доказательство этого в письме к Вильгельм Киллинг от 20 июля 1890 г. (Хокинс 2000, п. 176). Ученик Энгеля К.А. Умлауф дал полное доказательство в своей диссертации 1891 года, перепечатанной как (Умлауф 2010 ).

Заявления

Позволять ${ Displaystyle { mathfrak {gl}} (V)}$ - алгебра Ли эндоморфизмов конечномерного векторного пространства V и ${ Displaystyle { mathfrak {g}} subset { mathfrak {gl}} (V)}$ подалгебра. Тогда теорема Энгеля утверждает, что следующие утверждения эквивалентны:

1. Каждый ${ displaystyle X in { mathfrak {g}}}$ является нильпотентным эндоморфизмом на V.
2. Есть флаг ${ Displaystyle V = V_ {0} supset V_ {1} supset cdots supset V_ {n} = 0, , operatorname {codim} V_ {i} = i}$ такой, что ${ Displaystyle { mathfrak {g}} cdot V_ {я} подмножество V_ {я + 1}}$; т.е. элементы ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ одновременно строго верхнетриангулируемо.

Обратите внимание, что никаких предположений относительно базового поля не требуется.

Отметим, что утверждение 2. для различных ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ и V эквивалентно утверждению

Для каждого ненулевого конечномерного векторного пространства V и подалгебра ${ Displaystyle { mathfrak {g}} subset { mathfrak {gl}} (V)}$, существует ненулевой вектор v в V такой, что ${ Displaystyle X (v) = 0}$ для каждого ${ displaystyle X in { mathfrak {g}}.}$

Это форма теоремы, доказанной в #Доказательство. (Это утверждение тривиально эквивалентно утверждению 2, поскольку позволяет индуктивно построить флаг с требуемым свойством.)

В общем случае алгебра Ли ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ как говорят нильпотентный если нижний центральный ряд его исчезает за конечный шаг; т.е. для ${ displaystyle C ^ {0} { mathfrak {g}} = { mathfrak {g}}, C ^ {i} { mathfrak {g}} = [{ mathfrak {g}}, C ^ {i -1} { mathfrak {g}}]}$ = (я+1) -я степень ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$, существует некоторое k такой, что ${ displaystyle C ^ {k} { mathfrak {g}} = 0}$. Тогда теорема Энгеля дает теорему (также называемую теоремой Энгеля): когда ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ имеет конечную размерность, ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ нильпотентен тогда и только тогда, когда ${ displaystyle operatorname {ad} (X)}$ нильпотентен для каждого ${ displaystyle X in { mathfrak {g}}}$.

Действительно, если ${ displaystyle operatorname {ad} ({ mathfrak {g}})}$ состоит из нильпотентных операторов, то на 1. ${ displaystyle Leftrightarrow}$ 2. применительно к алгебре ${ displaystyle operatorname {ad} ({ mathfrak {g}}) subset { mathfrak {gl}} ({ mathfrak {g}})}$, есть флаг ${ displaystyle { mathfrak {g}} = { mathfrak {g}} _ {0} supset { mathfrak {g}} _ {1} supset cdots supset { mathfrak {g}} _ { n} = 0}$ такой, что ${ displaystyle [{ mathfrak {g}}, { mathfrak {g}} _ {i}] subset { mathfrak {g}} _ {я + 1}}$. С ${ Displaystyle С ^ {я} { mathfrak {g}} subset { mathfrak {g}} _ {я}}$, Из этого следует ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ нильпотентен. (Обратное прямо следует из определения.)

Доказательство

Докажем следующую форму теоремы:^[2] если ${ Displaystyle { mathfrak {g}} subset { mathfrak {gl}} (V)}$ подалгебра Ли такая, что каждая ${ displaystyle X in { mathfrak {g}}}$ является нильпотентным эндоморфизмом и если V имеет положительную размерность, то существует ненулевой вектор v в V такой, что ${ Displaystyle X (v) = 0}$ для каждого Икс в ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$.

Доказательство проводится индукцией по размерности ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ и состоит из нескольких шагов. (Обратите внимание, что структура доказательства очень похожа на Теорема Ли, который касается разрешимой алгебры.) Основной случай тривиален, и мы предполагаем размерность ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ положительный.

Шаг 1: Найдите идеал ${ displaystyle { mathfrak {h}}}$ коразмерности один в ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$.

Это самый сложный шаг. Позволять ${ displaystyle { mathfrak {h}}}$ - максимальная (собственная) подалгебра в ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$, существующее в силу конечномерности. Мы утверждаем, что это идеал и имеет коразмерность один. Для каждого ${ displaystyle X in { mathfrak {h}}}$, легко проверить, что (1) ${ displaystyle operatorname {ad} (X)}$ индуцирует линейный эндоморфизм ${ displaystyle { mathfrak {g}} / { mathfrak {h}} to { mathfrak {g}} / { mathfrak {h}}}$ и (2) это индуцированное отображение нильпотентно (фактически, ${ displaystyle operatorname {ad} (X)}$ нильпотентна). Таким образом, по предположению индукции существует ненулевой вектор v в ${ displaystyle { mathfrak {g}} / { mathfrak {h}}}$ такой, что ${ displaystyle operatorname {ad} (X) (v) = 0}$ для каждого ${ displaystyle X in { mathfrak {h}}}$. То есть, если ${ displaystyle v = [Y]}$ для некоторых Y в ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ но не в ${ displaystyle { mathfrak {h}}}$, тогда ${ displaystyle [X, Y] = operatorname {ad} (X) (Y) in { mathfrak {h}}}$ для каждого ${ displaystyle X in { mathfrak {h}}}$. Но тогда подпространство ${ displaystyle { mathfrak {h}} ' subset { mathfrak {g}}}$ охватывает ${ displaystyle { mathfrak {h}}}$ и Y подалгебра Ли, в которой ${ displaystyle { mathfrak {h}}}$ это идеал. Следовательно, по максимальности ${ displaystyle { mathfrak {h}} '= { mathfrak {g}}}$. Это доказывает утверждение.

Шаг 2: Позволять ${ Displaystyle W = {v in V | X (v) = 0, X in { mathfrak {h}} }}$. потом ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ стабилизирует W; т.е. ${ Displaystyle X (v) in W}$ для каждого ${ displaystyle X in { mathfrak {g}}, v in W}$.

Действительно, для ${ displaystyle Y}$ в ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$ и ${ displaystyle X}$ в ${ displaystyle { mathfrak {h}}}$, у нас есть: ${ Displaystyle X (Y (v)) = Y (X (v)) + [X, Y] (v) = 0}$ поскольку ${ displaystyle { mathfrak {h}}}$ это идеал и так ${ displaystyle [X, Y] in { mathfrak {h}}}$. Таким образом, ${ Displaystyle Y (v)}$ в W.

Шаг 3: Завершите доказательство, найдя ненулевой вектор, который уничтожается ${ displaystyle { mathfrak {g}}}$.

Написать ${ displaystyle { mathfrak {g}} = { mathfrak {h}} + L}$ куда L - одномерное векторное подпространство. Позволять Y ненулевой вектор в L и v ненулевой вектор в W. Сейчас же, ${ displaystyle Y}$ является нильпотентным эндоморфизмом (по предположению) и поэтому ${ Displaystyle Y ^ {k} (v) neq 0, Y ^ {k + 1} (v) = 0}$ для некоторых k. потом ${ displaystyle Y ^ {k} (v)}$ является искомым вектором, так как вектор лежит в W Шагом 2. ${ displaystyle square}$

Смотрите также

• Теорема Ли
• Группа Гейзенберга

Примечания

Цитаты

Процитированные работы