1 Schur の補題
単純加群の間の準同型は、零写像でなければ同型である。この事実によって、単純加群の自己準同型環は斜体になる。
定理 1.1 (Schur の補題).S,Tを単純左R加群とし、f:S→Tを左R線形写像とする。f=0ならばfは同型である。したがって、次が成り立つ。
- S≅TならばHomR(S,T)=0である。
- EndR(S)は写像の合成について斜体である。
証明.kerfはSの部分加群である。Sの単純性によりkerf=0またはkerf=Sであるが、後者ならばf=0となる。よってkerf=0であり、fは単射である。
imfはTの部分加群である。f=0であるからimf=0であり、Tの単純性によってimf=Tとなる。したがってfは全射でもあり、左R加群の同型である。
(1)を示す。S≅Tのときに非零準同型が存在すれば、前段落によってS≅Tとなるため矛盾する。よって(1)が成り立つ。
(2)を示す。最後に0=f∈EndR(S)を取る。前段落によってfは全単射である。逆写像f−1は加法を保つ。また、s∈Sとr∈Rに対し、s=f(t)となるt∈Sを取ると
f−1(rs)=f−1(rf(t))=f−1(f(rt))=rt=rf−1(s)であるから、f−1も左R線形である。したがってfはEndR(S)の単元である。零でないすべての元が単元であるため、EndR(S)は斜体である。▨
反対環を取っても斜体であることは変わらない。分類定理では
DS:=EndR(S)op
を用いる。この反対環は、左正則加群の自己準同型が右乗法で表されることから必然的に現れる。
2 正則加群と有限直和の自己準同型環
左正則加群の自己準同型は、単位元の像によって決まり、環の元による右乗法に一致する。二つの右乗法を合成すると環の積の順序が逆になる。
命題 2.1. 環Rに対して
ρ:Rop⟶EndR(RR),rop⟼ρr,ρr(x):=xrは環同型である。したがって
R≅EndR(RR)opである。
証明. 右乗法ρrは加法を保ち、a,x∈Rに対して
ρr(ax)=(ax)r=a(xr)=aρr(x)であるから、左R線形である。r,s∈Rに対して
(ρrρs)(x)=ρr(ρs(x))=(xs)r=x(sr)=ρsr(x)となる。Ropではropsop=(sr)opであるため、ρは積を保つ。また
ρr+s(x)=x(r+s)=xr+xs,ρ1R(x)=xであるから、ρは加法と単位元も保つ。
ρr=0ならばr=1Rr=ρr(1R)=0であるから、ρは単射である。F∈EndR(RR)に対してr:=F(1R)と置くと、任意のx∈Rについて
F(x)=F(x1R)=xF(1R)=xr=ρr(x)となる。よってρは全射である。第一の同型の反対環を取ると第二の同型を得る。▨
次に、有限個の単純加群からなる直和の自己準同型環を計算する。同型でない単純加群の間の Hom は Schur の補題によって零になるため、自己準同型は同型類ごとのブロックに分かれる。
定理 2.2.S1,…,Stを互いに同型でない単純左R加群とし、n1,…,nt≥1とする。
M:=i=1⨁tSi⊕ni,Ei:=EndR(Si),Di:=Eiopと置く。このとき、環同型
EndR(M)≅i=1∏tMni(Ei)および
EndR(M)op≅i=1∏tMni(Di)が存在する。各Diは斜体である。
証明.Mi:=Si⊕niと置く。F∈HomR(Mj,Mi)に対し、Sjの各直和因子からSiの各直和因子への成分はHomR(Sj,Si)に属する。i=jならば、Schur の補題定理 1.1により各成分は零であるから、F=0である。したがってMの自己準同型は各Miを保ち、制限によって
EndR(M)⟶i=1∏tEndR(Mi)という環同型を得る。逆写像は、各Mi上の自己準同型を直和して作る。
一つの単純加群Sと正の整数nを固定し、E:=EndR(S)と置く。S⊕nの第b成分からの包含をιb、第a成分への射影をpaとする。写像
Φ:EndR(S⊕n)⟶Mn(E),F⟼(paFιb)a,bを考える。F,G∈EndR(S⊕n)に対し、恒等写像を
idS⊕n=k=1∑nιkpkと書くと
pa(FG)ιb=k=1∑n(paFιk)(pkGιb)となる。右辺はEの積を写像の合成とした行列積の(a,b)成分であるため、Φ(FG)=Φ(F)Φ(G)である。
行列(αab)∈Mn(E)に対して
F(x1,…,xn)a:=b=1∑nαab(xb)と定めると、Fは左R線形であり、Φ(F)=(αab)となる。この構成はΦの逆写像である。よって
EndR(S⊕n)≅Mn(E)である。各Miへ適用すると第一の同型を得る。
任意の環Eに対して、転置は環同型
T:Mn(E)op⟶Mn(Eop),(aij)⟼(aji)を与える。実際、左辺の積をA⋆B:=BAと書くと、右辺の(i,j)成分は
T(A⋆B)ij=(BA)ji=k∑bjkakiである。一方、Eopの積を用いると
(T(A)T(B))ij=k∑aki⋆bjk=k∑bjkakiである。転置を二度施すと恒等写像になるため、Tは同型である。有限直積と反対環も成分ごとに可換する。第一の同型の反対環を取り、各因子へ転置同型を適用すると第二の同型を得る。最後に、Schur の補題によりEiは斜体であるから、Di=Eiopも斜体である。▨
3 行列環の列左イデアル
Artin–Wedderburn の定理の逆向きには、全行列環の左正則加群を列ごとに分解する。
命題 3.1.Dを斜体、n≥1とし、A:=Mn(D)と置く。行列単位をEijとし、
Cj:=AEjj(1≤j≤n)と置く。このとき、各Cjは単純左A加群であり、
AA=C1⊕⋯⊕Cnである。したがってMn(D)は左半単純環である。
有限個の斜体D1,…,Dtと正の整数n1,…,ntに対して、有限直積
i=1∏tMni(Di)も左半単純環である。
証明.Cjは第j列以外が零である行列全体であり、左イデアルである。0=X=(xab)∈Cjを取ると、あるpに対してxpj=0である。任意のY=(yab)∈Cjに対し、行列B=(bab)∈Aを
bap:=yajxpj−1(1≤a≤n),bak:=0(k=p)によって定める。Xは第j列以外が零であるため、成分計算から
BX=Yとなる。したがって、Xを含むCjの左部分加群はCj全体を含む。よってCjは単純である。
任意の行列は各列だけを残した行列の和として一意に表される。この表示は
A=AE11⊕⋯⊕AEnnという左加群の内部直和を与える。したがってAは左半単純環である。
P:=∏i=1tMni(Di)とする。第i座標だけに値をもち、その座標では第j列以外が零である元全体をCijと書く。各Cijは、他の座標が零であるため、左P加群としても単純である。また
PP=i=1⨁tj=1⨁niCijである。よってPは左半単純環である。▨
零個の環の直積は、一元集合からなる零環と約束する。この空積の左正則加群は零加群であり、空族の単純直和として半単純である。
4 角環と自己準同型環
定義 4.1.Rを環、e∈Rを冪等元とする。集合
eRe:={ere∣r∈R}をeによる角環 (corner ring) という。
a=ereとb=eseがeReに属するとき、
a−b=e(r−s)e,ab=erese=e(res)eもeReに属する。Rの結合律はeReの乗法にも引き継がれ、ea=ae=aであるから、eReはeを単位元とする環である。
角環は、主左イデアルReの自己準同型環の反対環になる。
命題 4.2.Rを環、e∈Rを冪等元とする。写像
Θe:eRe⟶EndR(Re)op,a⟼ρa,ρa(x):=xaは環同型である。
証明.a∈eReならばea=ae=aである。x=re∈Reに対して
xa=rea=ra=(ra)e∈Reであり、右乗法ρaは左R線形である。a,b∈eReに対して
(ρb∘ρa)(x)=(xa)b=x(ab)=ρab(x)である。反対環EndR(Re)opの積は合成の順序を逆にするため、
Θe(ab)=Θe(a)Θe(b)となる。加法と単位元eを保つことも右乗法の式から従う。
ρa=0ならばa=ea=ρa(e)=0であるから、Θeは単射である。F∈EndR(Re)を取ってa:=F(e)と置く。a∈Reであるからae=aであり、左線形性から
ea=F(e2)=F(e)=aでもある。よってa∈eReである。任意のre∈Reに対して
F(re)=rF(e)=ra=(re)a=ρa(re)であるからF=ρaとなり、Θeは全射である。▨
5 Artin–Wedderburn の定理
半単純環の分類因子は、左正則加群に現れる単純加群の同型類と、その自己準同型斜体から定まる。
定理 5.1 (Artin–Wedderburn の定理). 単位元をもつ結合環Rに対して、次の二条件は同値である。
- Rは左半単純環である。
- ある非負整数t、斜体D1,…,Dtおよび正の整数n1,…,ntが存在して
R≅i=1∏tMni(Di)
となる。
t=0の場合、右辺は空積である零環を表す。R=0ならばt≥1である。
さらに、因子の個数、各行列次数および各斜体は、因子の順序を除いて一意である。すなわち
i=1∏tMni(Di)≅j=1∏uMmj(Ej)ならばt=uであり、ある置換σが存在して
ni=mσ(i),Di≅Eσ(i)となる。
証明.(1)⇒(2)を示す。Rを左半単純環とする。§E6.22 系 4.3により、左正則加群RRは有限長である。有限長半単純加群の分解型の一意性§E6.22 定理 5.1により、互いに同型でない単純左R加群S1,…,Stと正の整数n1,…,ntを用いて
RR≅i=1⨁tSi⊕niと書くことができる。R=0の場合にはt=0とし、右辺を空直和とする。
R=0とする。各Siに対して
Di:=EndR(Si)opと置くと、Schur の補題定理 1.1によりDiは斜体である。命題命題 2.1と定理定理 2.2を順に用いると
R≅EndR(RR)op≅i=1∏tMni(EndR(Si)op)=i=1∏tMni(Di)を得る。R=0の場合にも、零環と空積の同型が所要の表示を与える。
(2)⇒(1)を示す。t≥1ならば、命題命題 3.1により各行列環の有限直積は左半単純である。t=0ならばRは零環であり、左正則加群が零加群であるため左半単純である。よって二条件は同値である。
一意性を証明する。R=0の場合、斜体上の全行列環は非零であるため、零環を表す有限直積は空積に限られる。したがって一意性は成り立つ。以下ではR=0とする。
分類データを左正則加群から復元する。 上で選んだS1,…,Stは、単なる直和因子の一部ではなく、単純左R加群のすべての同型類を代表する。実際、単純左R加群Sと0=s∈Sに対して、写像R→S、r↦rsは全射である。Rは半単純であるから、その核Kには補左イデアルTが存在してR=K⊕Tとなる。商写像のTへの制限はT≅R/K≅Sを与えるため、SはRRの単純直和因子と同型である。Tから各Siへの成分射影の少なくとも一つは非零であり、Schur の補題によってS≅T≅Siとなる。
各同型類[Si]の重複度niは§E6.22 定理 5.1によりRRだけから定まる。また
Di=EndR(Si)opもSiの同型類だけから同型を除いて定まる。したがって、組
([Si],ni,Di)1≤i≤tは環Rの左正則加群から復元される不変量である。
任意の直積表示から同じデータを得る。
P:=j=1∏uMmj(Ej)とし、第j因子の第k対角成分に1Ejをもち、他の成分と他の因子が零である冪等元をejkとする。命題命題 3.1の分解は
PP=j=1⨁uk=1⨁mjPejkであり、各Pejkは単純である。
固定したjに対して、右乗法
Pejk⟶Pejℓ,x⟼xEkℓは左P線形同型であり、逆写像はx↦xEℓkである。ここで行列単位は第j因子に置く。一方、j=hのとき、PejkとPehℓは同型でない。実際、第j因子の単位元だけをもつ中心冪等元cjはPejk上で恒等的に作用し、Pehℓ上で零として作用するため、両者の間に同型は存在しない。
したがって、左正則加群に現れる単純加群の同型類は因子ごとに一つであり、第jの同型類の重複度はmjである。さらに、命題命題 4.2によって
EndP(Pej1)op≅ej1Pej1≅Ejである。よって直積表示の組(mj,Ej)は、左正則加群から復元した組(ni,Di)と順序を除いて一致する。二つの直積表示へ同じ議論を適用すると、因子数、行列次数および斜体の一意性が従う。▨
6 原始冪等元と極小左イデアル
冪等元が直交する二つの部分へ分解すると、対応する主左イデアルも直和へ分解する。非零な直交冪等元の和へ分解することができない冪等元が原始冪等元である。
定義 6.1. 環Rの冪等元eが原始冪等元 (primitive idempotent) であるとは、e=0であり、
e=f+g,f2=f,g2=g,fg=gf=0を満たす冪等元f,g∈Rの少なくとも一方が零であることをいう。
半単純環では、すべての左イデアルが左正則加群の直和因子である。この直和射影を単位元へ適用すると、左イデアルを生成する冪等元を得る。
命題 6.2.Rを左半単純環とし、IをRの左イデアルとする。このとき、ある冪等元e∈Rが存在して
I=Reとなる。
証明.§E6.22 定理 4.2により、Iは左正則加群RRの直和因子である。したがって、ある左イデアルJが存在して
R=I⊕Jとなる。Iへの左R線形射影をp:R→Iとし、
e:=p(1R)と置く。任意のr∈Rに対して、左線形性から
p(r)=p(r1R)=rp(1R)=reである。よってimp=Reであり、I=Reとなる。さらにp2=pであるから
e=p(1R)=p2(1R)=p(e)=e2となり、eは冪等元である。▨
定理 6.3.Rを左半単純環とし、e∈Rを冪等元とする。このとき、次の二条件は同値である。
- eは原始冪等元である。
- Reは極小左イデアルである。
さらに、Rの任意の極小左イデアルは、ある原始冪等元eに対するReの形である。
証明.(2)⇒(1)を示す。Reが極小左イデアルであるとする。特にRe=0であるからe=0である。e=f+gが定義定義 6.1の直交分解であるとする。fe=fとge=gであるため、Rf,Rg⊆Reとなる。また、任意のr∈Rに対して
re=rf+rgであるからRe=Rf+Rgである。x∈Rf∩Rgならば、あるa,b∈Rによってx=af=bgと書くことができ、
x=xf=bgf=0となる。したがって
Re=Rf⊕Rgである。Reの単純性によりRfまたはRgは零であり、それぞれf=0またはg=0を意味する。よってeは原始冪等元である。
(1)⇒(2)を示す。逆にeを原始冪等元とする。Reは半単純加群の部分加群であるため、§E6.22 命題 3.1により半単純である。Reが単純でないと仮定すると、非零真部分加群I⊊Reが存在する。半単純加群の同値条件§E6.22 定理 2.3により、ある非零部分加群Jが存在して
Re=I⊕Jとなる。I,Jへの射影をそれぞれp,qとし、
f:=p(e),g:=q(e)と置く。x=re∈Reに対して左線形性から
p(x)=rf,q(x)=rgである。pはI上で恒等写像、J上で零写像であるから
f2=p(f)=f,g2=q(g)=g,gf=p(g)=0,fg=q(f)=0となる。またe=f+gである。I,Jが非零であるため、射影p,qも非零であり、表示式p(re)=rfとq(re)=rgからf,gはともに非零である。非零冪等元による分解e=f+gはeの原始性に反する。したがってReは単純であり、§E6.22 命題 1.3によって極小左イデアルである。
最後にLを極小左イデアルとする。命題命題 6.2によりL=Reとなる冪等元eが存在する。既に証明した同値からeは原始冪等元である。▨
系 6.4.Rを左半単純環、e∈Rを原始冪等元とする。このとき、角環eReは斜体である。
証明. 定理定理 6.3によりReは単純である。Schur の補題定理 1.1によりEndR(Re)は斜体であり、命題命題 4.2によってその反対環と同型なeReも斜体である。▨
7 左半単純性と右半単純性
定義 7.1. 右正則加群RRが半単純右R加群であるとき、Rを右半単純環 (right semisimple ring) という。Rが左半単純環かつ右半単純環であるとき、Rを半単純環 (semisimple ring) という。
右R加群を左Rop加群として読み替えると、Rが右半単純であることはRopが左半単純であることと同値である。
系 7.2. 環Rに対して、次の四条件は同値である。
- Rは左半単純環である。
- Rは右半単純環である。
- Rは半単純環である。
- Rは斜体上の全行列環の有限直積に同型である。零環では空積を許す。
特に、左半単純性または右半単純性の一方を証明すれば、Rは半単純環である。
証明.(1)⇒(2)を示す。Rが左半単純であるとする。Artin–Wedderburn の定理定理 5.1により
R≅i=1∏tMni(Di)と書くことができる。定理定理 2.2の証明で確認した転置同型を用いると
Rop≅i=1∏tMni(Di)op≅i=1∏tMni(Diop)となる。各Diopは斜体であるため、Artin–Wedderburn の定理の逆向きによりRopは左半単純である。よってRは右半単純である。
(2)⇒(1)を示す。Rが右半単純ならばRopは左半単純である。既に証明した向きをRopへ適用すると、Ropは右半単純になる。右Rop加群は左R加群であり、(Rop)op=Rであるから、Rは左半単純である。したがって両条件は同値である。
(1)⇔(3)を示す。定義定義 7.1により、両条件は同値である。
(1)⇔(4)を示す。この同値は Artin–Wedderburn の定理そのものである。▨
8 単純 Artin 環
単純 Artin 環を分類するため、加群に含まれる単純部分加群を一つに集める。
加群の socle には§E6.23 定義 1.2の定義を用いる。
左 Artin 環が非零ならば、左正則加群は極小左イデアルを含む。さらに、左正則加群の socle は右乗法でも閉じる。
補題 8.1.Rを非零の左 Artin 環とする。このとき
socR(RR)はRの非零両側イデアルである。
Rが単純環でもあるならば
socR(RR)=Rであり、Rは左半単純環である。
証明.Rの非零左イデアル全体は空でない。RRは Artin 加群であるため、Artin 性の極小元による特徴づけ§E6.20 命題 2.2により、この族は極小元Lをもつ。Lは非零であり、その中の非零左イデアルはL自身に限られるため、Lは極小左イデアルである。命題§E6.22 命題 1.3によりLは単純左R加群である。したがって
0=L⊆socR(RR)であり、socle は非零である。
S⊆Rを単純左イデアル、r∈Rとする。右乗法
ρr∣S:S⟶R,x⟼xrは左R線形である。その像Srは零であるか、単純加群Sの非零な準同型像である。後者の場合、核が零であり、Sr≅SはRの単純左イデアルになる。いずれの場合にも
Sr⊆socR(RR)である。socle の各元は有限個の単純左イデアルに属する元の和であるため、socle は任意の右乗法で閉じる。定義から左イデアルでもあるから、socle は両側イデアルである。
Rが単純ならば、非零両側イデアルである socle はRに等しい。したがってRRは単純部分加群全体の和である。半単純加群の同値条件§E6.22 定理 2.3によりRRは半単純であり、Rは左半単純環である。▨
定理 8.2. 環Rに対して、次の三条件は同値である。
- Rは単純左 Artin 環である。
- Rは単純右 Artin 環である。
- ある斜体Dと正の整数nが存在して
R≅Mn(D)
となる。
この表示のnとDは同型を除いて一意である。
証明.(1)⇒(3)を示す。(1)を仮定する。補題補題 8.1によりRは左半単純環である。Artin–Wedderburn の定理によって
R≅i=1∏tMni(Di)と書くことができる。Rは単純環であるから非零であり、t≥1である。t≥2ならば、一つの座標だけに値をもつ元全体が非零真の両側イデアルになるため、単純性に反する。よってt=1であり、(3)が成り立つ。
(3)⇒(1)を示す。(3)を仮定する。§E6.4 定理 5.2によりMn(D)は単純環である。また命題命題 3.1により左半単純環である。§E6.22 系 4.3により左正則加群は有限長であり、特に Artin 加群である。したがってRは単純左 Artin 環であり、(1)が成り立つ。
(3)⇒(2)を示す。同じ行列環は系系 7.2により右半単純でもある。Ropは左半単純であるから、その左正則加群は有限長であり、左 Artin 加群である。右加群と反対環の対応§E6.20 命題 7.1によりRは右 Artin 環である。単純性は既に得られているため、(2)も成り立つ。
(2)⇒(3)を示す。(2)を仮定する。Ropの両側イデアルはRの両側イデアルと同じ部分集合であるから、Ropは単純環である。また§E6.20 命題 7.1によりRopは左 Artin 環である。既に証明した(1)⇒(3)をRopへ適用すると、ある斜体Eとn≥1によって
Rop≅Mn(E)となる。反対環と転置同型を用いると
R≅Mn(E)op≅Mn(Eop)であり、Eopは斜体である。よって(3)が成り立つ。
最後に、行列表示におけるnとDの一意性は Artin–Wedderburn の定理の一意性を一因子の場合へ適用すると得られる。▨
単純 Artin 環では、行列環の列加群がすべて同型であるため、単純左加群の同型類は一つに限られる。この事実と半単純性によって、有限長左加群も一つの非負整数で分類される。
系 8.3.Rを単純左 Artin 環とする。このとき、単純左R加群の同型類はただ一つである。その同型類の代表をSとすると、任意の有限長左R加群Mに対して、一意な非負整数qが存在して
M≅S⊕qとなる。ここでS⊕0:=0とする。このqはMの組成長に等しく、q=ℓR(M)である。
証明. 定理定理 8.2により、ある斜体D、正の整数nおよび環同型φが存在して
φ:R∼A:=Mn(D)となる。r∈Rとa∈Aに対してr⋅a:=φ(r)aと定めてAを左R加群とみなす。このとき、φは左正則加群RRからAへの同型である。命題命題 3.1の列左イデアルを
Cj:=AEjj(1≤j≤n)と置くと、各Cjは単純左R加群であり、
RR≅C1⊕⋯⊕Cnとなる。固定したjに対する右乗法
C1⟶Cj,x⟼xE1jは左R線形同型であり、逆写像はy↦yEj1である。したがって、S:=C1と置けば
RR≅S⊕nとなる。
Tを任意の単純左R加群とする。0=t∈Tを取り、
π:R⟶T,r⟼rtと定める。写像πは左R線形であり、その像はtを含むTの非零部分加群であるため、πは全射である。合成π∘φ−1:A→Tは非零であるから、各Cjへの制限がすべて零になることはない。したがって、あるjが存在して、(π∘φ−1)∣Cj:Cj→Tは非零である。この制限は単純左R加群の間の非零準同型であるから、Schur の補題定理 1.1により同型である。Cj≅SであるためT≅Sであり、単純左R加群の同型類はただ一つである。
定理定理 8.2によってRは左半単純環でもある。左半単純環の同値条件§E6.22 定理 4.2により、すべての左R加群は半単純である。したがって、有限長左R加群Mは半単純であり、有限長半単純加群の分解型の定理§E6.22 定理 5.1によって、有限個の単純左R加群の直和に同型である。すべての単純直和因子はSと同型であるから、ある非負整数qが存在して
M≅S⊕qとなる。
q=0ならばM=0であり、ℓR(M)=0である。以下ではq≥1とする。S⊕qの先頭からk個の直和因子を取った部分加群をMkと書くと、
0=M0⊊M1⊊⋯⊊Mq=S⊕qの各商Mk/Mk−1はSと同型である。この列は組成列であるから、有限長の特徴づけ§E6.20 定理 4.3によりℓR(M)=qである。また、有限長半単純加群の分解型の一意性§E6.22 定理 5.1により、M≅S⊕q′となる別の非負整数q′が存在すればq=q′である。したがってqは一意である。▨
9 演習
問題 9.1. 次の十項目を、本記事の定義と定理から証明する。
- 単純左R加群S,Tの間の非零準同型が同型であることを、核と像から証明せよ。また、EndR(S)の非零元が逆元をもつことを示せ。
- 左正則加群の自己準同型FがF(1R)による右乗法であることを示し、RではなくRopからEndR(RR)への環同型が得られる理由を合成の順序から説明せよ。
- E=EndR(S)とするとき、EndR(S⊕n)≅Mn(E)を成分写像から構成せよ。また、Mn(E)op≅Mn(Eop)に転置が必要であることを積の成分で確認せよ。
- 左半単純環Rの任意の左イデアルIに対し、I=Reを満たす冪等元eを直和射影から構成せよ。
- 左半単純環の冪等元eについて、eが原始的であることとReが極小左イデアルであることの同値を証明せよ。またeRe≅EndR(Re)opを示せ。
- 斜体Dに対してMn(D)Ejjが単純左Mn(D)加群であることを、非零列ベクトルを任意の列ベクトルへ送る行列から証明せよ。左正則加群の列分解も示せ。
- 左半単純環Rの左正則加群を
RR≅i=1⨁tSi⊕ni
と分解し、R≅∏iMni(EndR(Si)op)を導け。零環の場合も説明せよ。
- 直積P=∏jMmj(Ej)の左正則加群から、因子の個数、mjおよびEjを復元し、Artin–Wedderburn 表示の一意性を説明せよ。
- 非零左 Artin 環Rについて、socR(RR)が非零両側イデアルであることを証明せよ。Rが単純ならば左半単純になることを導け。
- 左半単純性と右半単純性の同値を、行列環の有限直積表示と反対環から証明せよ。また、単純右 Artin 環も斜体上の全行列環になることを導け。
解答 (演習の解答).
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0=f:S→Tに対し、kerfはSの部分加群である。kerf=Sならばf=0となるため、単純性からkerf=0である。像はTの非零部分加群であるからimf=Tとなる。よってfは同型である。特に0=f∈EndR(S)は全単射である。s=f(t)と書くと
f−1(rs)=f−1(rf(t))=f−1(f(rt))=rt=rf−1(s)
であるから、逆写像も左R線形である。したがってEndR(S)は斜体である。
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F∈EndR(RR)とr:=F(1R)に対して
F(x)=F(x1R)=xF(1R)=xr
であるからF=ρrである。右乗法の合成は
(ρrρs)(x)=ρr(xs)=(xs)r=x(sr)=ρsr(x)
となる。r,sの順序が反転するため、rop↦ρrが環準同型である。ρr=0ならばr=ρr(1R)=0であり、前半から全射性も得られるので、Rop≅EndR(RR)である。
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S⊕nの包含と射影をιb,paとする。自己準同型Fを
Φ(F):=(paFιb)a,b
へ送る。id=∑kιkpkから
pa(FG)ιb=k∑(paFιk)(pkGιb)
を得るため、Φは積を保つ。逆に(αab)∈Mn(E)から
F(x1,…,xn)a=b∑αab(xb)
と定めるとΦ(F)=(αab)となる。よってΦは環同型である。Mn(E)opの積をA⋆B=BAとすると
T(A⋆B)ij=(BA)ji=k∑bjkaki
である。Eopの積では
(T(A)T(B))ij=k∑aki⋆bjk=k∑bjkaki
となる。したがって転置が反対環の積と行列積の両方の順序を整合させる。
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左半単純性によりR=I⊕Jとなる左イデアルJが存在する。Iへの左R線形射影をpとし、e=p(1R)と置く。左線形性からp(r)=reであるため、I=imp=Reとなる。またp2=pから
e=p(1R)=p2(1R)=p(e)=e2
であり、eは冪等元である。
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Reが極小で、e=f+gが非零直交冪等元への分解ならば
Re=Rf⊕Rg
となる。実際、和の等式はre=rf+rgから従い、x=af=bgならばx=xf=bgf=0である。極小性により一方の直和因子が零となるため、f=0またはg=0であり、eは原始的である。
逆にeが原始的であるとする。Rが左半単純環であるため、左正則加群RRは半単純である。ReはRRの部分加群であるから、§E6.22 命題 3.1によりReも半単純である。Reが単純でないならば、非零真部分加群I⊊Reが存在する。半単純加群の同値条件§E6.22 定理 2.3により、ある部分加群Jが存在して
Re=I⊕J
となる。Iが非零真部分加群であるため、Jも非零である。I,Jへの射影をp,qとし、f=p(e)、g=q(e)と置く。p(re)=rf、q(re)=rgであるから
f2=f,g2=g,fg=gf=0,e=f+g
となり、I,J=0からf,g=0である。原始性に反するためReは単純、すなわち極小左イデアルである。
a∈eReに右乗法ρa(x)=xaを対応させる。反対環の積では
ρa⋆ρb=ρb∘ρa=ρab
である。F∈EndR(Re)に対してa=F(e)と置くとea=ae=aであり、F(re)=rF(e)=ra=(re)aとなる。したがってa↦ρaはeRe≅EndR(Re)opを与える。
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A=Mn(D)、Cj=AEjjとする。0=X∈Cjの(p,j)成分をxpj=0とし、任意のY∈Cjに対して、第p列を
bap=yajxpj−1
とし他の列を零とした行列Bを取るとBX=Yとなる。よってXを含む部分加群はCj全体であり、Cjは単純である。任意の行列は各列を一列ずつ残した行列の一意な和であるため
AA=AE11⊕⋯⊕AEnn
となる。
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左半単純環の左正則加群は有限長であるため、互いに同型でない単純加群Siとni≥1を用いて
RR≅i⨁Si⊕ni
と書くことができる。Di=EndR(Si)opは Schur の補題によって斜体である。正則加群と有限直和の自己準同型環の計算を合わせると
R≅EndR(RR)op≅i∏Mni(EndR(Si)op)=i∏Mni(Di)
となる。R=0では左正則加群の分解は空直和であり、環表示は零個の環の直積、すなわち零環である。
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第j因子の第k対角行列単位をejkとすると
PP=j,k⨁Pejk
である。固定したjのPejkは右から行列単位を掛けることによって互いに同型であり、その重複度はmjである。異なる因子に属する列加群は、因子の中心冪等元が一方で恒等的、他方で零として作用するため同型でない。さらに
EndP(Pej1)op≅ej1Pej1≅Ej
である。したがって、単純加群の同型類の個数が因子数、正則加群での重複度がmj、自己準同型環の反対環がEjを復元する。有限長半単純加群の分解型の一意性により、別の直積表示でも同じデータが順序を除いて現れる。
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非零左イデアル全体へ Artin 性の極小元条件を適用すると、極小左イデアルLを得る。Lは単純であるから0=L⊆socR(RR)である。単純左イデアルSとr∈Rに対し、右乗法S→Rの像Srは零であるか、単純加群の非零準同型像として単純である。よってSrは socle に含まれ、socle は右乗法で閉じる。左イデアルであることは定義から従うため、socle は非零両側イデアルである。Rが単純ならば socle はRに等しく、RRは単純部分加群全体の和になる。半単純加群の同値条件によってRは左半単純である。
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Rが左半単純ならば
R≅i∏Mni(Di)
と書くことができる。反対環を取り、転置同型を用いると
Rop≅i∏Mni(Diop)
となるため、Ropは左半単純であり、Rは右半単純である。逆向きはRopへ同じ議論を適用する。
Rが単純右 Artin ならばRopは単純左 Artin である。左側の分類からRop≅Mn(E)となる斜体Eが存在する。したがって
R≅Mn(E)op≅Mn(Eop)
であり、Rも斜体上の全行列環である。
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10 範囲と後続記事への接続
本記事は、一般の単位的結合環について、左半単純性と右半単純性を斜体上の全行列環の有限直積表示によって特徴づけた。零環は空積として分類に含めた。単純 Artin 環については、正則加群の socle を用いて半単純性を導き、斜体上の一つの全行列環になることを証明した。
さらに、単純 Artin 環上の単純左加群が同型を除いて一つであることを示し、任意の有限長左加群が、その組成長を重複度とする同じ単純加群の有限直和に同型であることを証明した。この分類は基礎体を仮定していない。
原始冪等元と極小左イデアルの対応、および角環
eRe≅EndR(Re)op
は、分類表示の各斜体を加群から復元する局所的な形である。本記事は、原始冪等元を用いた射影加群の Morita 理論、Jacobson 根基をもつ一般の Artin 環、半単純商環および持ち上げ問題を扱わない。
後続記事「Skolem–Noether の定理」は、固定した基礎体上の中心単純代数と代数埋め込みを対象とする。本記事は基礎体、中心性および内部自己同型を導入せず、行列環表示を一般の環と加群の範囲で証明した。後続記事「Brauer 群の定義」は、中心単純代数のテンソル積、反対代数および自己準同型代数を同じ基礎体上で比較する。本記事はテンソル積による閉性、A⊗Aopと自己準同型代数の同型および Brauer 同値を先取りしない。