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Máster y doctorado

Álgebras de Lie semisimples

Multiplicar dos matrices en distinto orden puede cambiar el resultado. Su diferencia será nuestro primer corchete. Desde ese cálculo separaremos subálgebra, ideal, solubilidad y semisimplicidad; después comprobaremos sl₂ mediante ideales y mediante una matriz de Killing. Trabajamos en dimensión finita sobre un cuerpo de característica cero, por ejemplo R o C.

1. El corchete compara dos órdenes de multiplicación

En matrices definimos [A, B]=AB−BA.

Antes de usar nombres nuevos, calculamos ambos productos.

La operación es bilineal, [A, A]=0 y [B, A]=−[A, B].

No es una multiplicación asociativa.

Los dos órdenes de multiplicación dan signos opuestos
El orden cambia el productoH=diag(1, −1)E: entrada (1,2) igual a 1HE=EEH=−E[H, E]=E−(−E)[H, E]=2E
Para H diagonal uno menos uno y E con entrada uno en fila uno columna dos, multiplicar HE conserva E y multiplicar EH da menos E. Restar HE menos EH suma dos copias de E. El resultado tiene traza cero y pertenece al mismo espacio sl dos.

Un álgebra de Lie es un espacio vectorial con un corchete bilineal alternante que cumple Jacobi: [X,[Y, Z]]+[Y,[Z, X]]+[Z,[X, Y]]=0. Al expandir los tres corchetes de matrices, cada producto de tres factores aparece con signos opuestos. Esa cancelación es la razón de que el ejemplo funcione.

La resta exige conservar el signo del segundo producto

H=diag(1,−1), E con entrada uno en (1,2) y ceros en el resto.

  1. Primer orden

    HE=E: la primera fila de E se multiplica por uno.
  2. Orden inverso

    EH=−E: su segunda columna se multiplica por menos uno.

  3. Restar

    [H, E]=E−(−E)=2E, que tiene traza cero.
Resultado

El resultado depende del orden y del signo de la resta.

Lo comprobamos

[E, H]=−2E, no 2E.

Una identidad que vale para todas las matrices

Comprobar alternancia y traza del corchete.

  1. Misma entrada

    [A, A]=AA−AA=0 sin suponer A diagonalizable.
  2. Traza

    tr(AB)=tr(BA), de modo que tr[A, B]=0.
  3. Cierre

    Las matrices de traza cero quedan cerradas bajo el corchete, aunque el producto AB por separado pueda tener traza no nula.

Resultado

El cierre necesario es para AB−BA.

Lo comprobamos

Por ejemplo EF tiene traza uno en la base habitual, pero [E, F] tiene traza cero.

2. Un ideal debe soportar también corchetes con elementos de fuera

Una subálgebra es un subespacio U con [U, U]⊆U.

Un ideal I satisface [g, I]⊆I: puede entrar cualquier elemento de toda el álgebra. Se comprueba en bases y se extiende por bilinealidad.

Esta condición permite definir [X+I, Y+I]=[X, Y]+I sin depender de los representantes. El centro contiene los elementos que conmutan con todos; es un ideal abeliano. Los núcleos de homomorfismos son también ideales.

Una recta cerrada consigo misma puede fallar como ideal

En sl₂, U=kE y F tiene entrada uno en (2,1).

  1. Dentro de U

    [aE, bE]=0, así que U es subálgebra abeliana.
  2. Desde fuera

    [F, E]=−H, con H diagonal uno menos uno.
  3. Comparar

    H no es múltiplo de E. El corchete sale de U y U no es ideal.

Resultado

Basta un contraejemplo externo para descartar un ideal.

Lo comprobamos

Que [H, E]=2E caiga dentro no cubre la prueba con F.

Un ideal central concreto

Matrices estrictamente triangulares superiores 3×3, base A=E₁₂, B=E₂₃, C=E₁₃.

  1. Productos

    AB=C y BA=0, luego [A, B]=C.
  2. Con C

    AC=CA=BC=CB=0, así que [A, C]=[B, C]=0.
  3. Ideal

    kC conmuta con toda la base y por bilinealidad con todo el álgebra.

Resultado

Aquí la recta central sí es ideal.

Lo comprobamos

El contraste es entre estabilidad externa comprobada y cierre solo interno.

3. Soluble y nilpotente repiten operaciones distintas

La serie derivada parte de g y reemplaza el subespacio anterior por sus propios corchetes: g⁽ʳ⁺¹⁾=[g⁽ʳ⁾, g⁽ʳ⁾]. Ser soluble significa llegar a cero. En la serie central descendente se conserva toda g en el primer lugar: g₁=g, gᵣ₊₁=[g, gᵣ]. Llegar a cero aquí significa nilpotente.

Dos series que no se deben confundir
[H, E]=E en dimensión dosSerie derivadag → kE → 0Cada paso: [anterior, anterior]Central descendenteg → kE → kE → ⋯Cada paso: [g, anterior]Soluble; no nilpotente.
El álgebra con base H y E y relación H E igual a E tiene serie derivada que llega a cero en dos pasos. Su serie central descendente queda detenida en la recta de E, pues tomar corchete con H vuelve a producir E. Es soluble pero no nilpotente. Las flechas representan operaciones sucesivas sobre subespacios, no inclusiones invertibles.

Nilpotente implica soluble, pero no al revés. En cada paso se toma el subespacio generado por los corchetes; no un único producto escogido. Una relación de dos elementos puede mostrar por qué una serie se detiene y la otra no.

Una misma álgebra da dos cadenas diferentes

Base H, E con [H, E]=E.

  1. Primer derivado

    Todos los corchetes son múltiplos de E y E aparece: [g, g]=kE.

  2. Derivada

    [kE, kE]=0.

    La serie llega a cero y g es soluble.

  3. Central

    [g, kE]=kE porque [H, E]=E.

    Se repite para siempre: no es nilpotente.

Resultado

No se intercambian las dos reglas de recurrencia.

Lo comprobamos

La relación usa coeficiente uno en este ejemplo de dimensión dos, no la normalización de sl₂.

Un ejemplo que sí llega a cero en la serie central

El álgebra triangular de A, B, C del apartado anterior.

  1. Primer paso

    [g, g]=kC.
  2. Siguiente

    [g, kC]=0 porque C es central.
  3. Resultado

    La serie central es g, kC, 0. Es nilpotente y también soluble.

Resultado

Conocer todos los corchetes de una base permite calcular ambas series.

Lo comprobamos

No todas las matrices triangulares superiores son estrictas; la diagonal cambiaría el ejemplo.

4. Semisimple se refiere a ideales solubles, no a cada elemento

El radical rad(g) es el mayor ideal soluble. En dimensión finita existe.

Decimos semisimple cuando rad(g)=0.

Un álgebra simple es no abeliana y solo tiene los ideales 0 y g; es semisimple. En característica cero, una semisimple finita se descompone en suma directa de ideales simples: es un teorema estructural.

Una álgebra reductiva permite además un centro abeliano. En gl₂ se separa cada matriz X como X−tr(X)I/2 más tr(X)I/2. La primera parte tiene traza cero y la segunda es central. El centro impide que gl₂ sea semisimple.

Abeliana no nula: el radical se ve entero

g=k² con corchete idénticamente cero.

  1. Ideal

    Todo g es ideal de sí mismo.

  2. Soluble

    Su primer derivado es cero.

  3. Radical

    rad(g)=g≠0, de modo que g no es semisimple.
Resultado

La definición ya decide sin calcular determinantes.

Lo comprobamos

La dimensión dos no provoca el fallo: el ideal soluble no nulo sí.

Separar centro y parte de traza cero

X=diag(5,1) en gl₂(Q).

  1. Traza

    tr(X)=6; la parte escalar es 3I.
  2. Resto

    X−3I=diag(2,−2)=2H, de traza cero.
  3. Estructura

    El ideal kI es abeliano y no nulo. gl₂ es reductiva, pero no semisimple.

Resultado

La descomposición explica el papel del centro.

Lo comprobamos

Dividir por dos usa la característica cero fijada.

5. La adjunta actúa sobre el espacio de matrices de traza cero

ad X es el operador Y↦[X, Y] sobre g. Jacobi implica ad[X, Y]=[ad X, ad Y], por lo que es una representación. Para sl₂, el espacio sobre el que actúa tiene base H, E, F y dimensión tres.

La forma de Killing es B(X, Y)=tr(ad X ad Y).

Se compone primero ad Y y después ad X. Aunque X, Y sean matrices 2×2, aquí se toma una traza de operadores 3×3. Es bilineal, simétrica e invariante; no se sustituye por tr(XY) sin justificar el factor.

Escribir las columnas de ad H

Usar [H, H]=0, [H, E]=2E y [H, F]=−2F.

  1. Imagen de H

    La primera columna es cero.

  2. Otras imágenes

    E va a 2E y F a −2F.

  3. Matriz

    En la base H, E, F queda diag(0,2,−2), una matriz 3×3.

Resultado

La dimensión del operador adjunto es tres.

Lo comprobamos

Sus columnas describen imágenes de H, E, F, no imágenes de los dos vectores estándar.

Componer para calcular una entrada de Killing

B(E, F)=tr(ad E ad F).

  1. En H

    ad F(H)=2F; después ad E(2F)=2H.
  2. En E

    ad F(E)=−H; después ad E(−H)=2E.
  3. En F

    ad F(F)=0.

    La diagonal de la composición es 2,2,0 y su traza cuatro.

Resultado

La composición muestra de dónde sale el cuatro.

Lo comprobamos

Invertir el orden conserva la traza, pero no todas las imágenes individuales.

6. Cartan convierte una pregunta de ideales en una de álgebra lineal

Para g de dimensión finita en característica cero, el criterio de Cartan afirma que g es semisimple si y solo si su forma de Killing es no degenerada.

No degenerada significa: si B(X, Y)=0 para todo Y, necesariamente X=0.

Es un teorema que enunciamos; el determinante siguiente es su aplicación.

Se calcula la matriz B(eᵢ, eⱼ) en una base. Un determinante no nulo prueba no degeneración. La misma receta no puede trasladarse sin revisión a característica positiva, donde los coeficientes e incluso las relaciones cambian.

La forma cero deja un núcleo completo

g abeliana no nula.

  1. Adjunta

    Cada [X, Y]=0; por tanto todos los ad X son cero.

  2. Killing

    Todas las trazas B(X, Y) son cero.

  3. Núcleo

    Cualquier X no nulo empareja a cero con todos. La forma es degenerada.

Resultado

Coincide con el radical calculado antes.

Lo comprobamos

En el espacio cero no hay un vector no nulo para este argumento.

No degenerada no significa positiva

Matriz de Killing de sl₂ en H, E, F.

  1. Dos direcciones

    B(E, E)=B(F, F)=0 y B(E, F)=4.
  2. Sumas

    B(E+F, E+F)=8, mientras B(E−F, E−F)=−8 sobre R.
  3. Distinción

    La forma puede tomar ambos signos y seguir siendo no degenerada.

Resultado

El criterio usa núcleo cero y no positividad.

Lo comprobamos

Un vector de longitud cuadrada cero no está por ello en el núcleo de toda la forma.

7. Las tres relaciones de sl₂ permiten demostrar que es simple

Las matrices de traza cero tienen forma \begin{pmatrix}a&b\\c&-a\end{pmatrix}=aH+bE+cF.

Multiplicar da [H, E]=2E, [H, F]=−2F y [E, F]=H.

Todas las constantes y signos se fijan así.

Si I es ideal, es estable por T=ad H y por cualquier polinomio en T. Como los autovalores 0,2,−2 son distintos, los proyectores P_E=T(T+2I)/8,\quad P_F=T(T-2I)/8,\quad P_H=I-T^2/4 aíslan las tres componentes. En estas fórmulas I denota el operador identidad; el ideal se entiende por el contexto.

Extraer componentes sin suponerlas ya dentro

X=H+3E−2F pertenece a un ideal J.

  1. Proyectar

    P_H(X)=H, P_E(X)=3E y P_F(X)=−2F.
  2. Estabilidad

    J contiene esos resultados porque es estable por ad H y sus polinomios.

  3. Generar

    De H, tomar [H, E]=2E y [H, F]=−2F produce toda la base.
Resultado

El ideal J es toda sl₂.

Lo comprobamos

Dividir por dos o tres es válido en el cuerpo fijado.

La prueba no necesita que aparezcan las tres componentes

J no nulo contiene alguna combinación aH+bE+cF≠0.

  1. Elegir

    Al menos un proyector da una componente no nula; se reescala para obtener H, E o F.

  2. Llegar a H

    Si aparece E, [E, F]=H.
    Si aparece F, [E, F]=H usando un elemento externo permitido.
  3. Completar

    Desde H se obtienen E y F. No hay ideal propio no nulo y sl₂ no es abeliana.

Resultado

sl₂ es simple y por ello semisimple.

Lo comprobamos

Los corchetes con elementos externos están permitidos precisamente por ser un ideal.

8. La matriz de Killing ofrece una segunda comprobación completa

Ya calculamos B(E, F)=4.
Además B(H, H)=0²+2²+(−2)²=8.

Las composiciones de ad E consigo mismo y de ad F consigo mismo tienen traza cero; lo mismo ocurre al emparejar H con E o F.

Resulta [B]_{H, E, F}=\begin{pmatrix}8&0&0\\0&0&4\\0&4&0\end{pmatrix}.
Su determinante es 8(0−16)=−128.

Es no nulo en característica cero, y el criterio de Cartan confirma la semisimplicidad por un camino distinto.

Detectar el núcleo resolviendo ecuaciones

X=aH+bE+cF y B(X, Y)=0 para toda Y.

  1. Con H

    B(X, H)=8a=0, luego a=0.
  2. Con E y F

    B(X, E)=4c=0 y B(X, F)=4b=0.
  3. Conclusión

    b=c=0; X=0.

    La forma no tiene núcleo.

Resultado

Se puede comprobar sin memorizar el determinante.

Lo comprobamos

Se emparejó con una base completa.

Contrastar una entrada con las matrices pequeñas

En este caso B(X, Y)=4tr(XY) sobre sl₂.

  1. Comprobar H, H

    H²=I, tr(H²)=2, y cuatro veces dos da ocho.
  2. Comprobar E, F

    EF=diag(1,0), de traza uno; cuatro veces uno da cuatro.

  3. Extender

    Las demás parejas de la base también coinciden; por bilinealidad vale para cualquier X, Y.

Resultado

El factor cuatro queda comprobado en una base.

Lo comprobamos

No se usó tr(XY) como definición general de Killing.

9. Separar álgebra semisimple, elemento y representación

Semisimplicidad de g habla de su radical soluble. Diagonalizabilidad habla de un operador. Completa reducibilidad habla de descomponer una representación en subrepresentaciones irreducibles. Son preguntas relacionadas por teoremas bajo hipótesis, pero sus definiciones son distintas.

Para una semisimple compleja finita, raíces y pesos refinan esta estructura. Aquí ya tenemos un modelo de rango uno con sus cálculos completos; el siguiente tema desarrolla sus representaciones sin hacer pasar una lista de fórmulas por toda la clasificación.

Un elemento nilpotente dentro de un álgebra semisimple

La matriz E de sl₂.

  1. Cuadrado

    E²=0 y E≠0.
  2. Diagonalización

    Una matriz diagonalizable cuyo único autovalor es cero sería la matriz cero; E no lo es.

  3. Álgebra

    sl₂ sigue siendo simple. La propiedad global no exige que cada elemento sea diagonalizable.

Resultado

No hay contradicción entre ambas afirmaciones.

Lo comprobamos

E no genera un ideal de sl₂, como ya se calculó.

Una subálgebra abeliana tampoco contradice la definición

La recta kH dentro de sl₂.

  1. Corchete interno

    [aH, bH]=0: es abeliana y soluble.
  2. Corchete externo

    [E, H]=−2E sale de kH.
  3. Definición

    No es un ideal soluble no nulo; por eso no pertenece al radical por ese motivo.

Resultado

Buscar un subespacio soluble no basta: hay que comprobar que sea ideal.

Lo comprobamos

El radical se define mediante ideales de toda g.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un corchete concreto

Calcula [H,E] en sl₂(R).

  1. Datos

    H=diag(1,−1) y E tiene uno en (1,2).
  2. Definir

    [H, E]=HE−EH.
  3. HE

    Multiplicar por H a la izquierda deja la primera fila y cambia el signo de la segunda; HE=E.

  4. EH

    Multiplicar a la derecha cambia el signo de la segunda columna; EH=−E.

  5. Restar

    E−(−E)=2E.
  6. Comprobar

    La diagonal del resultado es cero, así que su traza es cero y pertenece a sl₂(R).

Resultado

[H,E]=2E.

Lo comprobamos

El resultado permanece en sl₂ porque su traza es cero.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un álgebra no semisimple

Decide si un álgebra abeliana no nula es semisimple.

  1. Hipótesis

    g es abeliana y no es el espacio cero.

  2. Derivado

    Todos sus corchetes son cero, luego [g, g]=0.

  3. Soluble

    La serie derivada llega a cero en un paso.

  4. Ideal

    Toda g es un ideal soluble de sí misma.

  5. Radical

    rad(g)=g≠0; por definición no es semisimple.
  6. Otra comprobación

    ad X=0 para todo X, así que Killing es cero y degenerada en g no nula.

Resultado

No es semisimple.

Lo comprobamos

La forma de Killing también es cero.

Los símbolos que hemos usado

g
Espacio vectorial de dimensión finita sobre un cuerpo de característica cero, equipado con corchete de Lie.
[X,Y]
Producto bilineal alternante que satisface Jacobi; para matrices, XY−YX.
I ideal
Subespacio con [g,I]⊆I.
g^(r)
Serie derivada: g^(0)=g y g^(r+1)=[g^(r),g^(r)].
rad(g)
Máximo ideal soluble de g.
ad X
Operador Y↦[X,Y] sobre g.
B(X,Y)
Forma de Killing tr(ad X∘ad Y).
sl₂
Matrices 2×2 de traza cero con el corchete de conmutadores.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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