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半单环与 Artin-Wedderburn

Schur 引理、完全可约性,以及那条结构定理:每个半单环都是除环上矩阵环的有限乘积。整个学科的核心。

半单是什么意思

若把环 R 看作其自身上的左模时它是 单模 的直和,则称 R 是半单的。等价地——这才是好用的定义——每个左 R-模都是 完全可约的:它分解为单模的直和,于是每个 子模 都是直和项。没有需要解开的扩张,没有不分裂的非平凡 短正合列。局部地看,生活就像域上的线性代数一样轻松。

Schur 引理作为引擎

整套结构理论靠一个微小的观察运转。Schur 引理:单模之间的同态要么为零,要么是同构。因此单模 S 的自同态环 End_R(S) 是一个 除环——每个非零自同态都可逆。除环不是凭空规定的,而是作为单模的自同态环出现的。 这就是 M_n(D) 中那个 D 的来源。

把 Schur 引理与另一个想法结合:对任意 R-模 M,有 End_R(M^n) ≅ M_n(End_R(M))。n 个副本的直和的自同态被组织成一个 n×n 的分量映射网格,恰如一个矩阵。把这两个事实并排放在一起,M_n(D) 的形状已经无可避免。

Artin-Wedderburn 定理

高潮在此。Artin-Wedderburn 定理半单环 R 同构于除环上矩阵环的有限直积 R ≅ M_{n_1}(D_1) × ⋯ × M_{n_r}(D_r)。其中 r 等于单模的同构类个数;D_i 是它们的自同态除环(至多相差一个 op);而 n_i 与 D_i 都唯一确定。单的半单环恰好就是单个因子 M_n(D)。

  1. 把 R = ⊕ L_i 作为左模分解为单左理想,并把同构于同一单模 S_j 的那些 L_i 归入同型块。
  2. 每个同型块都是一个双侧理想 B_j,并且作为环 R = B_1 × ⋯ × B_r(各块互相零化)。
  3. 用模作用的对偶计算 R = End_R(R);由 Schur 引理,块 B_j 变为 End_R(S_j^{n_j}) ≅ M_{n_j}(D_j),其中 D_j = End_R(S_j)。
  4. 唯一性:单模及其重数是 R 的不变量,故 (n_j, D_j) 在排序与 op 意义下唯一确定。
Example: take complex group algebra C[S_3], dimension 6.
  S_3 has three irreducible reps over C:
    trivial   (dim 1)
    sign      (dim 1)
    standard  (dim 2)
Artin-Wedderburn forces
  C[S_3]  ≅  M_1(C) × M_1(C) × M_2(C).
Dimension check:  1^2 + 1^2 + 2^2 = 1 + 1 + 4 = 6.  Matches |G| = 6.

The rule  sum of (dim of irreducible)^2 = |G|  is exactly the
Wedderburn dimension count for the semisimple ring C[G].
把 Artin-Wedderburn 用于 C[S_3]:块的大小就是不可约表示的维数。