На правах рукописи
ПОЖИДАЕВ Александр Петрович
АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЛИЕВА ТИПА
01.01.06 математическая логика,
алгебра и теория чисел
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
доктора физико-математических наук
Новосибирск 2010
Работа выполнена в Институте математики им. С.Л.Соболева Сибирского отделения Российской академии наук
Научный консультант:
доктор физико-математических наук, профессор Шестаков Иван Павлович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Михалев Александр Александрович доктор физико-математических наук, профессор Пчелинцев Сергей Валентинович доктор физико-математических наук Сверчков Сергей Робертович
Ведущая организация:
Омский государственный университет
Защита диссертации состоится 17 июня 2010 г. в 15 час. 30 мин.
на заседании диссертационного совета Д003.015.02 при Институте математики им. С.Л.Соболева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск, пр. Акад. Коптюга, 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института математики Сибирского отделения Российской академии наук.
Автореферат разослан мая 2010 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д.003.015. кандидат физико-математических наук А.Н.Ряскин
Общая характеристика работы
Постановка задачи и актуальность темы диссертации. Данная работа посвящена изучению различных (но взаимосвязанных) классов алгебраических систем. Однако центральными объектами в ней являются некоммутативные йордановы и структуризуемые супералгебры, диалгебры, супералгебры Филиппова, а также n-арные алгебры Мальцева. Основные вопросы об этих системах, исследуемые в данной работе, это вопросы простоты и специальности.
Проблема классификации простых алгебраических систем является одной из основных проблем в их структурной теории. Конечномерные простые ассоциативные супералгебры были классифицированы ещё в 1964 г. в работе С.Т.С.Волл [44]. Супералгебры Ли и йордановы супералгебры являются объектами, наиболее близкими к ассоциативным супералгебрам. Конечномерные простые супералгебры Ли характеристики 0 были классифицированы В.Кацем в 1977 г. [25]. Случай конечномерных простых йордановых супералгебр над алгебраически замкнутыми полями характеристики ноль был рассмотрен В.Кацем [26] и И.Кантором [2]. Изучение йордановых супералгебр положительной характеристики было инициировано И.Капланским. М.Расин и Е.Зельманов [37] классифицировали конечномерные простые йордановы супералгебры характеристики = 2 с полупростой чётной частью, а К.Мартинез и Е.Зельманов рассмотрели оставшийся случай, когда чётная часть не является полупростой [34]. Йордановы супералгебры тесно связаны с альтернативными и (1, 1)-супералгебрами. Для многообразий альтернативных супералгебр эта проблема была решена в работах И.П.Шестакова и Е.И.Зельманова [1, 13], а для (1, 1)-супералгебр и супералгебр Мальцева (обобщающих супералгебры Ли) в работах И.П.Шестакова [12, 14].
Обобщением класса йордановых супералгебр являются классы некоммутативных йордановых супералгебр и структуризуемых супералгебр. В случае алгебр, класс структуризуемых алгебр пересекается, в частности, по классу йордановых алгебр с классом некоммутативных йордановых алгебр, введённым А.А.Албертом в 1948 г. [16]. Класс некоммутативных йордановых алгебр чрезвычайно обширен кроме (коммутативных) йордановых алгебр он содержит также, например, все альтернативные и квазиассоциативные алгебры, эластичные квадратичные алгебры, а также антикоммутативные алгебры. Проблема классификации простых конечномерных некоммутативных йордановых алгебр, в некотором смысле, была решена Р.Шейфером [38] в случае характеристики 0, Р.Оемке [36] для эластичных алгебр со строго ассоциативными степенями в характеристике = 2, 3, К.МакКриммоном для некоммутативных йордановых алгебр степени > 2 [32, 33] и K.Смитом для степени два [41];
случай нодальных простых таких алгебр положительной характеристики в основном рассматривался Л.Кокорисом [27, 28]. Строго первичные некоммутативные йордановы алгебры описаны В.Г.Скосырским [7].
В суперслучае известна следующая Проблема 1. Описать простые конечномерные супералгебры в классе некоммутативных йордановых супералгебр (не являющихся суперантикоммутативными) [11, Проблема 3.100 а)].
Хорошо известна и чрезвычайно полезна конструкция Титса-КёхераКантора (ТКК), позволяющая по йордановой алгебре построить 3градуированную алгебру Ли: если A йорданова алгебра, то Str(A) = LA Der(A) образует алгебру Ли, называемую структурной алгеброй для A, где La обозначает оператор левого умножения на a из A и Der(A) алгебра дифференцирований алгебры A. Конструкция Титса-КёхераКантора наделяет векторное пространство K(A) = AStr(A)A струкизоморфная копия A. Свойства K(A) тесно турой алгебры Ли, где A связаны со свойствами A. ТКК-конструкция была применена, в частности, В.Г.Кацем при классификации простых конечномерных йордановых супералгебр характеристики 0 [26].
Б.Аллисон в 1978 г. [17] определил класс неассоциативных алгебр, содержащий класс йордановых алгебр и допускающий конструкцию структурной алгебры и конструкцию Титса-Кёхера-Кантора (конструкция Аллисона). Алгебры из этого класса, называемые структуризуемыми, являются унитальными алгебрами с инволюцией. Этот класс определяется тождеством степени 4 и включает альтернативные алгебры с инволюцией, йордановы алгебры (с тождественной инволюцией), тензорное произведение двух композиционных алгебр, 56-мерный модуль Фрейденталя для алгебры Ли E7 с естественным бинарным произведением, и алгебры, строящиеся из эрмитовых форм способом, который является некоторым обобщением обычной конструкции йордановых алгебр квадратичных форм.
Однако, ещё в 1972 году И.Кантор обобщил ТКК-конструкцию, распространив её на более широкий класс алгебр, которые он назвал консервативными. Конструкция Кантора ставит в соответствие консервативной алгебре градуированную алгебру Ли. Говорят, что консервативная алгебра имеет второй порядок, если её алгебра Ли является (2, 2)градуированной. В той же самой статье И.Кантор классифицировал конечномерные простые консервативные алгебры второго порядка над алгебраически замкнутым полем характеристики 0.
Существует взаимно однозначное соответствие между классом консервативных алгебр второго порядка с левой единицей и классом структуризуемых алгебр. При этом соответствии конструкция Кантора для консервативных алгебр переходит в конструкцию Аллисона для структуризуемых алгебр.
Алгебры Ли, получаемые из центральных простых структуризуемых алгебр при помощи конструкции Аллисона–Кантора, содержат все конечномерные центральные простые алгебры Ли над полем характеристики ноль, имеющие ненулевой ad-нильпотентный элемент.
Центральные простые конечномерные структуризуемые алгебры над полем характеристики ноль были классифицированы Б.Аллисоном [17].
Классификация простых конечномерных структуризуемых алгебр над полем ненулевой характеристики была получена О.Н.Смирновым [8].
Более того, при решении данной проблемы им был найден класс простых структуризуемых алгебр характеристики ноль, пропущенный Б.Аллисоном. В суперслучае известна Проблема 2. Описать простые конечномерные супералгебры в классе структуризуемых супералгебр [11, Проблема 3.100 в)].
Простые структуризуемые супералгебры классического типа проклассифицировал недавно Дж.Фолкнер [23].
Понятие универсальной обёртывающей ассоциативной алгебры играет важную роль в теории алгебр Ли. Основное значение универсальной обёртывающей алгебры U (L) состоит в возможности сведения теории представлений алгебры L к теории представлений алгебры U (L). Более общо, функторы из одной алгебраической системы в другую играют важнейшую роль в математике. Примеров таких функторов очень много: стандартный функтор (коммутатор: ab ba) из категории ассоциативных алгебр в категорию алгебр Ли; йорданово произведение (ab + ba) функтор из категории ассоциативных алгебр в категорию йордановых алгебр; конструкция Титса-Кёхера-Кантора функтор из категории йордановых алгебр в категорию алгебр Ли и т.д. По теореме Пуанкаре-Биркгофа-Витта для любой алгебры Ли L существует ассоциативная алгебра A такая, что L изоморфна некоторой подалгебре алгебры Ли A(). Мы приходим к так называемой проблеме специальности: если функтор из категории A в категорию B и B B, то всегда ли существует объект A A такой, что B является подсистемой в (A)? Положительный ответ на этот вопрос даётся известной теоремой Пуанкаре-Биркгофа-Витта для функтора коммутирования из категории ассоциативных алгебр в категорию алгебр Ли. Для функтора “йорданово произведение” из категории ассоциативных алгебр в категорию йордановых алгебр ответ оказывается уже отрицательным (контрпример: йорданова алгебра Алберта). Вопросы специальности изучены также для супералгебр Ли и йордановых супералгебр; более того, в лиевом случае эти вопросы изучены даже для ограниченных супералгебр Ли [5]. А в случае, например, алгебр Мальцева этот вопрос до сих пор остается открытым известно положительное решение для полупервичных алгебр Мальцева и некоторых других подклассов, например, метабелевых [6] (обзор по “специальности” можно найти в [39, 40]).
Ж.-Л.Лодэй нашел универсальную обёртывающую для алгебры Лейбница [30]. Роль таких обёртывающих играют ассоциативные диалгебры алгебраические системы с двумя ассоциативными операциями согласованными между собой. П.С.Колесниковым недавно было показано, что любая ассоциативная диалгебра в свою очередь может быть получена из некоторой ассоциативной конформной алгебры [3], в этой же работе П.С.Колесников ввёл понятие многообразия диалгебр. М.Агуиар [15] в 2000 г. впервые установил функториальную связь между алгебрами Рота-Бакстера и дендриформными алгебрами и показал, что алгебра Рота-Бакстера веса = 0 имеет структуру дендриформной алгебры. Далее связь с дендриформными триалгебрами была установлена в работе [21]. Функторы между категориями алгебр Рота-Бакстера и категориями дендриформных диалгебр и триалгебр были исследованы в [24]. Функтор между классом триалгебр и классом тернарных алгебр Лейбница был найден в работе [19].
Вопрос о нахождении надлежащего обобщения алгебр Ли на случай n-арной операции был поставлен ещё А.Г.Курошем в 1969 г. В качестве возможного такого обобщения он предлагал n-арную операцию, заданную на ассоциативной алгебре правилом:
Однако свойства таких алгебр несколько далеки от свойств алгебр Ли.
Более удачное обобщение было сделано В.Т.Филипповым в 1984 г. [9], где n-арная операция [·,..., ·] предполагается кососимметричной по всем аргументам и такой, что операторы правого умножения являются Данные n-арные алгебры были названы им n-лиевыми алгебрами, а в настоящее время они носят название алгебр Филиппова. Удачность данного обобщения подтверждается тем, что впоследствии эти алгебры возникали независимо в работах многих математиков и физиков. Мы упомянем два таких случая: 1) при n = 3 они (под названием кососимметричные тройные системы) появились в работе Дж.Фолкнера [22] в 1985 г. при классификации тождеств в тройных системах; 2) под названием Намбу-Лиевы “гебры” (алгебры) они появились в статье Л.А.Тахтаджяна [43] в 1994 г. в этот раз источником их возникновения стала механика Намбу, предложенная Й.Намбу [35] как обобщение Гамильтоновой механики.
Класс алгебр Филиппова содержит такие объекты как векторную алгебру (n + 1)-мерного пространства и алгебру якобианов ассоциативной коммутативной алгебры A над полем. Любая n-арная алгебра Филиппова определяет бесконечное семейство “производных” алгебр Филиппова арности 2 k < n, включающее в себя семейство алгебр Ли. Также известна связь алгебр Филиппова с алгебрами Сейгла, а именно, ассоциированная тройная система алгебры Сейгла является тернарной алгеброй Филиппова, при этом простым алгебрам Сейгла соответствуют простые алгебры Филиппова.
По аналогии с алгебрами Ли, возникает естественный вопрос о существовании n-арных систем, играющих роль универсальных обёртывающих для алгебр Филиппова. Вопрос об обёртывающих алгебрах для 3-лиевых алгебр был поднят В.Т.Филипповым уже в 1988 г. [10]. Можно отметить, что подобный вопрос интересовал и А.Г.Куроша (см. выше).
Как отмечалось выше, одна из важнейших проблем для алгебр Филиппова состоит в классификации простых таких конечномерных алгебр. Первые примеры простых конечномерных n-лиевых алгебр характеристики 0 были построены В.Т.Филипповым в 1984 г. Над алгебраически замкнутым полем любая (n + 1)-мерная простая такая алгебра изоморфна An+1 с базисом {e1,..., en+1 } и таблицей умножения:
[e1,..., ei,..., en+1 ] = (1)n+1+i ei. В 1993 г. У.Лин [29] доказал, что с точностью до изоморфизма простая конечномерная алгебра Филиппова над алгебраически замкнутым полем характеристики 0 только одна алгебра An+1. Однако аналогичная проблема в модулярном случае (характеристики p > 0) до сих пор открыта и является довольно сложной: как подтверждение этого служит тот факт, что полная классификация простых конечномерных алгебр Ли характеристики p > 3 над алгебраически замкнутым полем была получена совсем недавно. В теории модулярных алгебр Филиппова пока есть только некоторые серии простых таких алгебр, которые были построены в работах автора [49].
Дальнейшее развитие теория таких алгебр получила в работах автора [45, 46, 47, 48].
Теории модулярных алгебр и супералгебр характеристики 0 имеют между собой очень много похожего. Понятие n-арной супералгебры Филиппова было введено в [20] под именем супералгебры Намбу. Однако до сих неизвестно ни одного нетривиального примера простой такой супералгебры. И.П.Шестаковым была поставлена следующая Проблема 3. Классифицировать простые конечномерные супералгебры Филиппова над алгебраически замкнутым полем характеристики Простейшие подслучаи данной проблемы это случай тривиальной нечётной части супералгебры (алгебры Филиппова) и случай тривиальной чётной части супералгебры:
Проблема 4. Классифицировать простые конечномерные коммутативные n-арные алгебры Лейбница над алгебраически замкнутым полем характеристики 0.
Вопрос о нахождении надлежащего обобщения других классов алгебр на n-арный случай также привлекает большое внимание. Так, множество попыток было сделано в направлении обобщения ассоциативных алгебр на случай n-арной операции. Наиболее известные такие обобщения это ассоциативные пары и классически ассоциативные тройные системы. В неассоциативном случае это альтернативные и йордановы пары и тройные ситемы.
Общие лиевы тройные системы, близкие к алгебрам Филиппова, играют важную роль в современной дифференциальной геометрии и используются, например, при изучении некоторых обобщений симметрических пространств. Неассоциативные n-арные алгебры возникают в математической биологии [42]. Тройные системы служат, в частности, для построения и изучения простых бинарных алгебр. Так, Е.Н.Кузьмин применил теорию тройных лиевых систем к изучению простых алгебр Мальцева [4]. С.Окубо применил алгебры Филиппова для нахождения новых решений уравнения Янга-Бакстера. Различные тройные системы применяются для реализации исключительных простых алгебр Ли.
Основные результаты диссертации.
1. Получена (совместно с И.П.Шестаковым) классификация простых конечномерных некоммутативных йордановых супералгебр степени > 2 над полем характеристики 0. Доказан аналог теоремы Р.Оемке и координатизационная теорема для некоммутативных йордановых супералгебр.
2. Построены четыре серии простых структуризуемых супералгебр.
Классифицированы (совместно с И.П.Шестаковым) простые конечномерные структуризуемые супералгебры над алгебраически замкнутым полем характеристики 0.
3. Введено понятие n-арной алгебры Лейбница и доказана разрешимость (см. определение ниже) таких конечномерных коммутативных n-арных алгебр характеристики 0, что является частным случаем классификации простых супералгебр Филиппова.
4. Введено понятие n-арной алгебры Мальцева и дана характеризация алгебр векторного произведения в терминах n-арных алгебр Мальцева.
Научная новизна. Все результаты диссертации являются новыми.
Теоретическая и практическая ценность. Результаты, изложенные в диссертации, имеют теоретическое значение и закладывают основы для дальнейшего построения структурной теории конечномерных некоммутативных йордановых и структуризуемых супералгебр, диалгебр, а также супералгебр Филиппова и n-арных алгебр Мальцева. Результаты полезны для дальнейшего изучения самых разнообразных алгебраических систем, в частности, sp-алгебр различных многообразий и n-арных алгебр. Результаты диссертации могут найти свое применение в дифференциальной геометрии, механике Намбу и при изучении многообразий Намбу-Пуассона, а также могут быть использованы для проведения спецкурсов по близким тематикам в высших учебных заведениях России.
Методы исследования. В диссертации используются методы линейной алгебры, комбинаторной алгебры и теории неассоциативных колец, в частности, (супер)алгебр Ли и их представлений.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Международной алгебраической конференции “Мальцевские чтения” (Новосибирск, 2002, 2004, 2007, 2009; в том числе два пленарных доклада); на международной конференции “Алгебры Ли и йордановы алгебры, их представления и приложения”, Бразилия (2002, 2009 пленарный); также приглашенные доклады были сделаны на конференциях:
Международная алгебраическая конференция, посвящённая столетию со дня рождения П.Г.Конторовича и 70-летию Л.Н.Шеврина, 2005, Екатеринбург; “Второй международный конгресс по алгебре и комбинаторике”, посвящён 70-летию Л.А.Бокутя, Китай, 2007; Вторая международная научная конференция “Финслеровы обобщения теории относительности” Египет, 2006; доклады на конференциях: “Новые математические модели в механике сплошных сред: построение и изучение”, приурочена к 85-летию академика Л.В.Овсянникова, Новосибирск, 2004; “Модули и комодули”, посвящена Р.Висбауэру, Португалия, 2006; “Пограничные вопросы универсальной алгебры”, Эрлагол, 2007; “Алгебра и её приложения”, посвящена 75-летию профессора В.П.Шункова, Красноярск, 2007.
Результаты также неоднократно докладывались на научных семинарах им. А.И.Ширшова “Теория колец” (ИМ СО РАН) и “Алгебра и логика” (НГУ), а также на семинарах “Алгебры Ли и йордановы алгебры и их представления” (Университет Сан-Пауло, Бразилия), “Групповой анализ дифференциальных уравнений” (ИГиЛ СО РАН) и “Общеинститутский математический семинар” (ИМ СО РАН).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в форме статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах [51],[53]-[59],[63],[66]-[68], входящих в список ВАК ведущих рецензируемых научных изданий и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук. Список всех работ автора по теме диссертации приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, списка обозначений, предметного указателя и списка литературы. Список литературы содержит 127 наименований. Диссертация изложена на 230 страницах текста, набранного на компьютере в редакционно-издательской системе L TEX 2.
Общая структура диссертации. Диссертация разбита на главы, которые в свою очередь подразделяются на параграфы. Нумерация всех утверждений тройная: первая цифра указывает номер главы, вторая номер параграфа, а третья порядковый номер результата. Нумерация формул двойная: первая цифра номер главы, вторая порядковый номер внутри главы.
Введение Во введении формулируется постановка задачи, обосновывается актуальность проблематики, приводится общая характеристика и формулировка результатов, даются некоторые обозначения.
Глава 1. Некоммутативные йордановы супералгебры Супералгебра U = U0 U1 называется некоммутативной йордановой супералгеброй, если в U выполняются следующие операторные тождества:
[Rxy, Lz ] + (1)x(y+z) [Ryz, Lx ] + (1)z(x+y) [Rzx, Ly ] = 0, где x, y, z U0 U1, (1)xy означает (1)p(x)p(y), а p(x) чётность x, т.е. p(x) = i, если x U.
В первой главе мы, во-первых, доказываем аналог координатизационной теоремы К.МакКриммона [32]:
Теорема 1.1.13. Если U строго некоммутативная йорданова супералгебра с n 3 связанными ортогональными идемпотентами, то U = Dn расщепляемая квазиассоциативная супералгебра, определённая супералгеброй Dn матриц порядка n n над ассоциативной супералгеброй D.
В доказательстве мы используем некоторые деформации супералгебры и основного поля с целью сведения теоремы к специальному случаю, когда “индикатор” равен 4 или 0, а затем используем разложение Пирса, чтобы получить коммутативность или ассоциативность, соответственно.
В следующем параграфе мы рассматриваем проблему классификации простых конечномерных некоммутативных йордановых супералгебр.
Теорема 1.2.4. Конечномерная центральная простая некоммутативная йорданова супералгебра характеристики 0 является одной из следующих:
2) квазиассоциативной супералгеброй;
3) йордановой супералгеброй.
Далее мы доказываем аналог теоремы Р.Оемке в характеристике [36]:
Теорема 1.3.7. Пусть U простая конечномерная некоммутативная йорданова супералгебра характеристики 0 и степени > 1. Тогда U (+) является простой.
«