李代数

恩格尔定理

设想一个李代数的每个元素,当它通过作括号作用于该代数自身时,都是幂零算子——作用足够多次就得到零。直觉上每个生成元都各自“软弱”。恩格尔定理说,这种个体的软弱会合谋成集体的软弱:整个代数必定是幂零的。局部的幂零性迫使整体的幂零性。

对有限维李代数 L 来说:L 幂零当且仅当对每个 x 属于 L,ad(x) 都是幂零自同态。困难的方向是“当”这一半。其背后的关键线性代数引理是:若 L 是非零有限维向量空间 V 上一族幂零算子构成的李代数,则存在一个被它们全部零化的非零向量 v,即 Lv = 0;反复使用便得到一面旗,使每个算子都成为严格上三角的。

条件只关乎 ad-幂零性这一内蕴性质,却推出一个表示论式的结论(公共特征向量、同时严格三角化)。恩格尔定理是幂零情形的基石;李定理则是它在可解情形的伴侣,减弱了假设、也减弱了结论,并附加了特征零的代数闭域条件。

设 L 为严格上三角的 n 阶矩阵。每个矩阵都幂零,而 ad(x)(y) = xy - yx 也幂零。恩格尔定理于是保证 L 是幂零李代数——这与其下中心列各项最终到达零相一致。

严格上三角矩阵:处处 ad-幂零,故由恩格尔知其幂零。

注意区别:要求的是每个 ad(x) 都幂零,而不仅是某些元素幂零。使 ad(x) 幂零的元素 x 称为 ad-幂零的;恩格尔要求它们全都如此。