Freie Lie-Algebra

In der mathematischen Theorie der Lie-Algebren ist eine freie Lie-Algebra bzw. frei erzeugte Lie-Algebra eine Lie-Algebra, die frei in der Kategorie der Lie-Algebren und Lie-Homomorphismen ist. Damit lassen sich Lie-Algebren mit vorgegebenen Erzeugern und Relationen konstruieren.

Definition

Wir betrachten einen festen Körper $K$ als Koeffizientenbereich. Zu einer vorgegebenen Menge $X=\mathrm{\varnothing }$ sei $A(X)$ die frei erzeugte assoziative K-Algebra über $X$, $i:X\to A(X)$ sei die Inklusionsabbildung. Durch die Lie-Klammer

$[a,b]:=a\cdot b-b\cdot a,a,b\in A(X)$

wird $A(X)$ zu einer Lie-Algebra. Darin sei

$FL(X):=\bigcap \{L|L\subset A(X)\text{ ist Lie-Unteralgebra mit }i(X)\subset L\}$

der Durchschnitt aller $i(X)$ enthaltenden Lie-Unteralgebren von $A(X)$. Dies ist nicht der Durchschnitt über eine leere Menge, denn $A(X)$ ist eine Lie-Unteralgebra, die $i(X)$ enthält.

$FL(X)$ heißt freie Lie-Algebra über $X$.

Nach Konstruktion ist $i(X)\subset FL(X)$, das heißt wir können $i$ auch als Inklusionsabbildung $X\to FL(X)$ auffassen.

Universelle Eigenschaft

Die freie Lie-Algebra $FL(X)$ über $X$ erfüllt folgende universelle Eigenschaft:

Sei $\theta :X\to L$ eine Abbildung von $X$ in eine Lie-Algebra $L$. Dann gibt es genau einen Lie-Algebren-Homomorphismus $\phi :FL(X)\to L$ mit $\phi \circ i=\theta$.

Dies rechtfertigt die Bezeichnung freie Lie-Algebra.

Alternative Konstruktion

Bei Bourbaki findet sich eine alternative Konstruktion der freien Lie-Algebra. Für eine nicht-leere Menge $X$ sei $M(X)$ das freie Magma über $X$ und $\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{b}(X)$ der frei über $M(X)$ erzeugte $K$-Vektorraum mit der linear von $M(X)$ fortgesetzten Multiplikation. Darin betrachte das Ideal $I\subset \mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{b}(X)$, das von allen Ausdrücken der Form

$a\cdot a,a\in \mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{b}(X)$

$a\cdot (b\cdot c)+b\cdot (c\cdot a)+c\cdot (a\cdot b),a,b,c\in \mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{b}(X)$

erzeugt wird. Dann heißt $\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{b}(X)/I$ die frei über $X$ erzeugte Lie-Algebra. Durch den Übergang zur Quotientenalgebra werden die aufgezählten Elemente zum Nullelement, denn sie liegen ja definitionsgemäß im Ideal $I$. Daher gelten in $\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{b}(X)/I$ die Antikommutativität und Jacobi-Identität, das heißt man erhält eine Lie-Algebra. Von dieser wird gezeigt, dass sie obige universelle Eigenschaft erfüllt. Da je zwei Lie-Algebren, die dieselbe universelle Eigenschaft in Bezug auf $X$ erfüllen, isomorph sein müssen, kann diese Konstruktion als Alternative zur oben angegebenen betrachtet werden.

Beispiele

Ist $X=\{x\}$ einelementig, so ist $A(\{x\})$ isomorph zur kommutativen Polynomalgebra aller Polynome in der Unbestimmten $x$. Als Lie-Algebra ist $A(\{x\})$ daher abelsch, das heißt jeder Untervektorraum ist eine Lie-Unteralgebra. Damit ist $FL(\{x\})$ definitionsgemäß der kleinste Untervektorraum, der $i(x)$ enthält, und das ist $K\cdot i(x)$. Also ist

$FL(\{x\})\cong K$ die triviale eindimensionale Lie-Algebra.

Die universelle einhüllende Algebra der freien Lie-Algebra $FL(X)$ ist isomorph zur freien assoziativen Algebra über $X$, in Formeln $𝒰(FL(X))\cong A(X)$.

Erzeuger und Relationen

Konstruktion

Sei wieder $X$ eine nicht-leere Menge. Ein Lie-Wort über $X$ ist eine endliche Linearkombination von endlichen Lie-Monomen, das heißt endlichen Lie-Produkten von Elementen aus $X$. Ein Beispiel für ein Lie-Monom ist

$[[[x_1,x_2],x_1],[x_1,x_3]],x_1,x_2,x_3\in X$,

ein Beispiel für ein Lie-Wort ist

$7\cdot [[[x_1,x_2],x_1],[x_1,x_3]]-[[[[x_1,x_1],x_1],x_1],x_2],x_1,x_2,x_3\in X$.

Für eine Menge $R$ von Lie-Wörtern über $X$ sei $⟨R⟩\subset FL(X)$ das von $R\subset FL(X)$ erzeugte Lie-Ideal. Dann heißt die Quotientenalgebra

$L(X;R):=FL(X)/⟨R⟩$

die von der Menge $X$ und den Relationen $R$ erzeugte Lie-Algebra.

Wie bei der in der Gruppentheorie betrachteten Präsentation einer Gruppe kann man auch hier Lie-Algebren mit vorgegebenen Eigenschaften konstruieren, genauer wird jedes Lie-Wort $w$ zu einer Gleichung $w=0$ in $L(X;R)$.

Beispiele

• $L(X;\mathrm{\varnothing })=FL(X)$, denn das von der leeren Menge erzeugte Ideal ist $\{0\}$.

• Sei $R$ die Menge aller Lie-Wörter $[x_1,x_2],x_1,x_2\in X$. Dann ist $L(X;R)$ die von $X$ erzeugte abelsche Lie-Algebra, das heißt der von $X$ frei erzeugte K-Vektorraum mit der Nullmultiplikation als Lie-Klammer.

• Es seien $X=\{e_1,\dots ,e_n,h_1,\dots ,h_n,f_1,\dots ,f_n\}$ und $A_{i,j}$ gewisse reelle Konstanten, die bei verschiedenen Indizes kleiner gleich 0 sind.

Es sei dann $R$ die Menge der Relationen

$[h_i,h_j]$

$[h_i,e_j]-A_{i,j}{e}_j$

$[h_i,f_j]+A_{i,j}{f}_j$

$[e_i,f_i]-h_i$

$[e_i,f_j]$   für   $i=j$

$[e_i,[e_i[\dots [e_i,e_j]]]$   mit $i=j$ und $1-A_{i,j}$ Vorkommen von $e_i$

$[f_i,[f_i[\dots [f_i,f_j]]]$   mit $i=j$ und $1-A_{i,j}$ Vorkommen von $f_i$

Dann spielt die Lie-Algebra $L(X;R)$ eine wichtige Rolle im Beweis des Existenzsatzes für halbeinfache Lie-Algebren. Sind die $A_{i,j}$ die Koeffizienten einer Cartan-Matrix, so ist $L(X;R)$ eine endlich-dimensionale Lie-Algebra mit ebendieser Cartan-Matrix. Das ist Serre’s Beweis des Existenzsatzes. Genau diese Techniken werden auch für die Definition von Kac-Moody-Algebren verwendet.