Dichtheitssatz von Jacobson

Der Dichtheitssatz v​on Jacobson, benannt n​ach Nathan Jacobson, i​st ein mathematischer Satz a​us der Darstellungstheorie m​it Anwendungen i​n der Ringtheorie u​nd Gruppentheorie. Er w​urde erstmals 1945 v​on Jacobson bewiesen[1] u​nd stellt e​ine enge Beziehung zwischen gewissen Ringen u​nd Matrizenringen über Schiefkörpern her.

Definitionen

Es sei ein Ring mit Einselement und ein Links-R-Modul. Ein solcher Modul heißt einfach, wenn er keine nicht-trivialen Untermoduln, das heißt neben und keine weiteren Untermoduln, enthält. Der Modul heißt treu, wenn nur für gilt.

sei der Ring der R-Endomorphismen auf . Dann wird durch die Definition

  für  

zu einem -Modul und man kann von -linearen Abbildungen sprechen.

Die -Linearität von Endomorphismen besagt gerade

  für alle   .

Bezeichnet man mit die Linksmultiplikation mit auf , so kann man obige Gleichung auch so lesen, dass jedes eine -lineare Abbildung ist. Beachte, dass die im Allgemeinen nicht -linear sind, wenn nicht kommutativ ist.

Formulierung des Satzes

Es sei ein Ring mit Einselement, ein einfacher, treuer Links--Modul und eine -lineare Abbildung.

Dann gibt es zu je endlich vielen ein mit für alle .[2][3]

In Worten: Jede -lineare Abbildung verhält sich auf einer endlichen Menge wie die Linksmultiplikation mit einem Ringelement.

Bemerkungen

Wegen der Einfachheit des Links--Moduls ist nach dem Lemma von Schur ein Schiefkörper. Für jedes und sei

.

Dann bilden die die Subbasis einer Topologie auf , die man die finite Topologie nennt.

In der Situation des Satzes ist und wegen der Treue kann man mit identifizieren. In diesem Sinne ist und obiger Satz besagt gerade, dass dicht liegt bezüglich der finiten Topologie.[4] Daher rührt der Name Dichtheitssatz.

Eine weitere Besonderheit liegt vor, wenn ein endlichdimensionaler -Vektorraum ist. Wählt man in obigem Satz eine Vektorraumbasis , so ist jeder Endomorphismus aus bereits durch seine Werte auf den eindeutig bestimmt, und aus dem Dichtheitssatz von Jacobson ergibt sich .

Primitive Ringe

Ein Ring mit Einselement heißt primitiv, wenn er einen treuen, einfachen Modul hat.[5] Der Dichtheitssatz von Jacobson sagt zusammen mit obiger Bemerkung aus, dass es zu einem primitiven Ring einen Schiefkörper und einen -Modul gibt, so dass dicht in liegt, denn der nach Definition existierende treue, einfache Modul leistet das Verlangte.

Diese Eigenschaft charakterisiert primitive Ringe, denn ist umgekehrt dicht für einen Modul über einem Schiefkörper , so ist als -Modul treu, denn , und wegen der Dichtheit auch einfach.

Diese Charakterisierung primitiver Ringe i​st letztlich nichts anderes a​ls eine alternative Formulierung d​es Dichtheitssatzes v​on Jacobson, m​an kann letzteren d​aher auch i​n dieser Form finden.[6] Jacobson formuliert d​en Satz i​n seinem Lehrbuch Basic Algebra zweimal, zunächst w​ie oben u​nd dann a​ls Charakterisierung primitiver Ringe u​nter dem Namen Density Theorem f​or Primitive Rings.[7]

Gruppendarstellungen

Als weiteres Anwendungsbeispiel zeigen w​ir einen a​uf Burnside zurückgehenden Satz.

  • Sei eine Gruppe und eine n-dimensionale, irreduzible Darstellung über dem Körper der komplexen Zahlen. Dann gibt es , so dass -linear unabhängig sind.

Wir betrachten die Gruppenalgebra und die kanonische Erweiterung von zu einem -Algebrenhomomorphismus . Sei . Diese Definitionen machen zu einem treuen -Modul, der wegen der vorausgesetzten Irreduzibilität einfach ist. Es ist nach dem Lemma von Schur zusammen mit der algebraischen Abgeschlossenheit von . Aus dem Dichheitssatz von Jacobson und nachfolgender Bemerkung folgt nun , das heißt der -dimensionale -Vektorraum wird als -Vektorraum von den erzeugt. Aus dem Basisauswahlsatz folgt nun die Behauptung.[8]

Diese Aussage kann für Zählargumente verwendet werden. Im unten angegebenen Lehrbuch von Derek J. S. Robinson wird ausgeführt, wie sich daraus ein Satz von Schur ergibt, wonach jede Torsionsgruppe in endlich ist.[9]

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. N. Jacobson: Structure Theory of Simple Rings Without Finiteness Assumptions, Transactions of the American Mathematical Society, Band 57, Nr. 2 (1945), Seiten 228–245
  2. Derek J. S. Robinson: A Course in the Theory of Groups, Springer-Verlag 1996, ISBN 0-387-94461-3, Satz 8.1.7: The Jacobson Density Theorem
  3. I. Martin Isaacs: Algebra – A Graduate Course, American Mathematical Society, Graduate Studies in Mathematics (2009), Band 100, Theorem (13.14)
  4. Louis H. Rowen: Ring Theory. Band 1. Academic Press Inc., Boston u. a. 1988, ISBN 0-125-99841-4 (Pure and Applied Mathematics 127), Theorem 2.1.6 mit vorhergehender Erläuterung
  5. Louis H. Rowen: Ring Theory. Band 1. Academic Press Inc., Boston u. a. 1988, ISBN 0-125-99841-4 (Pure and Applied Mathematics 127), Definition 2.1.1.
  6. Benson Farb, R. Keith Dennis: Noncommutative Algebra, Springer-Verlag (1993), ISBN 978-0-387-94057-1, Theorem 5.2 (Jacobson Density Theorem)
  7. N. Jacobson: Basic Algebra II, Dover Publications Inc. (1980), Kapitel 4.3: Density Theorems
  8. Derek J. S. Robinson: A Course in the Theory of Groups, Springer-Verlag 1996, ISBN 0-387-94461-3, Satz 8.1.8
  9. Derek J. S. Robinson: A Course in the Theory of Groups, Springer-Verlag 1996, ISBN 0-387-94461-3, Satz 8.1.11
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