El cuerpo de la tesis consta de cinco capítulos. El primer capítulo está formado por definiciones y resultados conocidos sobre anillos, álgebras asociativas, álgebras de Lie y sistemas de Jordan, que serán utilizados en el resto de capítulos. En este primer capítulo podemos encontrar tres secciones. La primera de ellas está dedicada a las nociones sobre álgebras de Lie y sistemas de Jordan con las que vamos a trabajar en el segundo y tercer capítulo, la segunda sección la dedicaremos a la construcción del centroide extendido y clausura central de álgebras asociativas primas y semiprimas, citando varios resultados que nos serán de ayuda. Por último, en la tercera sección encontraremos conceptos sobre anillos que serán de utilidad para el capítulo cuatro.
En el segundo capítulo nos centraremos en la construcción de una filtración acotada asociada a un ideal interno abeliano B en un álgebra de Lie L. Esta filtración será de gran ayuda para el estudio de la especialidad del subcociente asociado a un ideal interno abeliano, (B, KerLB), que realizaremos en el capítulo tres. Para lograr tal construcción, necesitamos que [B, KerLB]n ⊂ B para algún natural n. En la primera sección de este capítulo analizamos esta hipótesis, llegando a la conclusión de que no es tan restrictiva como aparenta, ya que se verifica en las álgebras de Lie más usuales. En la segunda y última sección de este capítulo, construimos la citada filtración acotada inducida por un ideal interno abeliano y analizamos la relación existente entre esta filtración y la asociada por un elemento ad-nilpotente a de índice tres dada en [35, Theorem 1.2], ya que todo elemento ad-nilpotente de índice tres genera el ideal interno abeliano B = (a)L = [a, [a, L]] + ϕa si L es libre de torsión 3. Este capítulo contiene los resultados del artículo [37], el cual se encuentra enviado para su publicación.
El tercer capítulo está dedicado al estudio de la especialidad de dos sistemas Jordan asociados a un álgebra de Lie L: el álgebra de Jordan La asociada a un elemento ad-nilpotente de índice menor o igual que 3 y el subcociente (B, L/KerLB) asociado a un ideal interno abeliano B. En este capítulo encontraremos dos secciones. En la primera de ellas damos condiciones suficientes para que el álgebra de Jordan La asociada a un elemento ad-nilpotente a de índice menor o igual que tres dada en [27, Theorem 2.4] sea especial. Para ello, la filtración asociada a este elemento a jugará un papel de suma importancia. En la segunda sección utilizamos la filtración asociada a un ideal interno abeliano B para dar condiciones bajo las cuales el subcociente (B, KerLB) es especial. Estos resultados se encuentran en el artículo publicado [36].
Para el cuarto capítulo cambiamos de ambiente. En este capítulo daremos una nueva demostración de la forma canónica de Jordan de un elemento nilpotente en un anillo arbitrario R. Si a ∈ R es un elemento nilpotente de índice n y an−1 es regular von Neumann, podemos descomponer a = ea + (1 − e)a, siendo un bloque de Jordan de tamaño n × n, donde S es un anillo unitario, y (1 − e)a es nilpotente de índice menor que n para un idempotente e ∈ R tal que ae = ea. Este resultado hace posible caracterizar la forma canónica de Jordan de un elemento nilpotente a tal que todas sus potencias sean regulares von Neumann. Además, podremos caracterizar los anillos primos de índice acotado n con un elemento nilpotente a ∈ R del índice n y tal que an−1 es regular von Neumann como un anillo de matrices sobre un dominio unitario. El contenido de este capítulo ha sido de gran utilidad para describir los elementos ad-nilpotentes en álgebras de Lie que proceden de álgebras asociativas con involución [20], y su contenido puede encontrarse en el artículo publicado [38].
En el último capítulo sintetizamos los resultados más relevantes de este trabajo, resumiendo los métodos utilizados para llegar a ellos.
Por un anillo de escalares ϕ entenderemos que ϕ es un anillo asociativo, conmutativo y unitario. Trataremos con álgebras asociativas R, álgebras de Lie L, álgebras de Jordan J y pares de Jordan V sobre un anillo de escalares ϕ, con , ∈ ϕ. Nos referiremos a [43], [3] , [56], [51] y [25] para los resultados básicos, notación y terminología sobre álgebras de Lie y sistemas de Jordan. A lo largo de este capítulo vamos a ir introduciendo definiciones y resultados necesarios para el desarrollo de los capítulos posteriores.
Definición 1.1.1. Un álgebra de Lie L sobre un anillo de escalares ϕ es un ϕ-módulo dotado de un producto bilineal [ , ] : L × L → L anticonmutativo y verificando la identidad de Jacobi, es decir,
para todo x, y, z ∈ L.
Ejemplo 1.1.2. Sea R un álgebra asociativa sobre un anillo de escalares ϕ cuyo producto denotaremos por yuxtaposición. Entonces el ϕ-módulo R dotado con el producto [x, y] = xy − yx para todo x, y ∈ R es un álgebra de Lie que denotaremos por R(−). Si R tiene involución *, podemos definir el conjunto de los elementos antisimétricos de R,
En este caso, se tiene que Skew(R, *) es un subálgebra de Lie de R(−).
Definición 1.1.3. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ y sea x ∈ L.
▪ Se define la aplicación adjunta determinada por x, y la denotaremos por adx : L → L, a la aplicación lineal definida por adx(y) = [x, y] para todo y ∈ L.
▪ Diremos que x es ad-nilpotente (en L) si existe n ∈ ℕ tal que . En ese caso, se dirá que n es el índice de ad-nilpotencia de x (sobre L) si .
▪ A un elemento ad-nilpotente a ∈ L cuyo índice de ad-nilpotencia sea menor o igual a tres lo llamaremos elemento Jordan. En este caso, se define el núcleo de a como el conjunto .
▪ Diremos que x ∈ L es un divisor absoluto de cero si x es un elemento ad-nilpotente en L con índice de ad-nilpotencia menor o igual a dos.
▪ Se dirá que L es no degenerada si L no tiene divisores absolutos de cero no nulos.
Definición 1.1.4. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ.
▪ Diremos que L es un álgebra de Lie prima si [I, J] ≠ 0 para todo par de ideales no nulos I, J de L.
▪ Si L es un álgebra de Lie prima y no degenerada, diremos que L es un álgebra de Lie fuertemente prima.
Se tiene la siguiente caracterización para álgebras de Lie fuertemente primas ([33, Theorem 1.6]).
Teorema 1.1.5. Sea L un álgebra de Lie libre de torsión 2 y 3 sobre un anillo de escalares ϕ. Entonces L es fuertemente prima si, y solo si, para todo x, y ∈ L tales que [x, [y, L]] = 0, se tiene que x = 0 o y = 0.
Definición 1.1.6. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ y sea B un submódulo de L. Diremos que B es un ideal interno abeliano de L si [B, [B, L]] ⊂ B y [B, B] = 0. En ese caso, definimos el núcleo de B como
Observación 1.1.7. Todo elemento b ∈ B es un elemento Jordan de L, ya que
Ejemplo 1.1.8. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ y sea a ∈ L un elemento Jordan. Si L es libre de torsión 3, entonces [a]L = [a, [a, L]] y (a)L = [a, [a, L]] + ϕa son ideales internos abelianos de L [14, Lemma 1.8]. Además, si L es no degenerada, por [30, Lemma 3.7]
Definición 1.1.9. Sea ϕ un anillo de escalares. Un álgebra de Jordan es un ϕ-módulo J junto con dos aplicaciones cuadráticas
verificando las siguientes identidades en todas las extensiones por escalares de J:
1. x2 o y = Ux, y(x),
2. x o Ux(y) = Ux(x o y),
3. (x2)2 = Ux(x2),
4. (Ux(y))2 = UxUy(x2),
5. ,
6. UUx(y) = UxUyUx
para todo x, y ∈ J, donde x o y = (x + y)2 – x2 − y2 y Ux,z (y) = (Ux+z − Ux − Uz)(y) para todo x, y, z ∈ J [51, 1.6].
Observación 1.1.10. Como vamos a trabajar con anillos de escalares ϕ tales que ∈ ϕ, por [42, 1.4] podremos caracterizar un álgebra de Jordan como un ϕ-módulo J dotado con un producto bilineal, que denotaremos por •, satisfaciendo las siguientes condiciones:
1. x • y = y • x, y
2. x2 • (y • x) = (x2 • y) • x
para todo x, y ∈ J, donde x2 = x • x.
Además, para cada x ∈ J, se define la aplicación Ux : J → J dada por Uxy = 2x • (x • y) − x2 • y para todo y ∈ J.
Ejemplo 1.1.11. Sea R un álgebra asociativa sobre un anillo de escalares ϕ, con . Entonces el ϕ-módulo R dotado con el producto para todo x, y ∈ R es un álgebra de Jordan que denotaremos por R(+). Si R tiene involución *, podemos definir el conjunto de los elementos simétricos de R,
En este caso, se tiene que H(R, *) es un subálgebra de Jordan de R(+).
Definición 1.1.12. Sea J un álgebra de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ. Diremos que J es especial si J es un subálgebra del álgebra de Jordan R(+) definido por un áigebra asociativa R sobre ϕ. En otro caso, diremos que J es excepcional.
Definición 1.1.13. Sea J un álgebra de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ tal que ∈ ϕ.
▪ Un ϕ-submódulo I de J se dirá que es un ideal de J si I • J ⊂ I.
▪ Sean I, K dos ideales de J. Diremos que J es prima si I • K = 0 implica I = 0 o K = 0.
▪ Un elemento x ∈ J se dirá que es un divisor absoluto de cero si UxJ = 0. Diremos que J es no degenerada si no tiene divisores absolutos de cero no nulos.
▪ Diremos que J es fuertemente prima si J es prima y no degenerada.
En [2, Lemma 1.13] aparece la siguiente caracterización para álgebras de Jordan fuertemente primas.
Teorema 1.1.14. Sea J un álgebra de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ. Entonces J es fuertemente prima si, y solo si, para todo x, y ∈ J tales que UxUJUy = 0, se tiene que x = 0 o y = 0.
Teorema 1.1.15. [27, Theorem 2.4] Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que sea a ∈ L un elemento Jordan. Entonces L dotado con el producto definido por , para todo x, y ∈ L, es un álgebra no asociativa, denotada por L(a), tal que:
1. KerLa es un ideal de L(a).
2. La := L(a)/KerLa es un álgebra de Jordan, cuyo operador U viene dado por
para todo x, y ∈ L, donde denota la clase de equivalencia de x respecto de KerLa.
Definición 1.1.16. Sea ϕ un anillo de escalares. Un par de Jordan es un par de ϕ-módulos V = (V+, V−) junto con dos aplicaciones cuadráticas
y
verificando las siguientes identidades en todas las extensiones por escalares de V:
1. ,
2.
3.
para todo x ∈ Vσ y para todo y ∈ V−σ, con σ = ±, y donde
es la aplicación bilineal dada por
para todo x, z ∈ Vσ y para todo y ∈ V−σ.
Observación 1.1.17. Como vamos a trabajar con anillos de escalares ϕ tales que , por [51, Proposition 2.2], vamos a poder caracterizar un par de Jordan como aquellos pares de ϕ-módulos V = (V+, V−) dotados con dos aplicaciones trilineales
tales que {x, y, z} = {z, y, x} y
para todo x, z, u ∈ Vσ y para todo y, v ∈ V−σ, con σ = ±.
Por ello, de ahora en adelante, las definiciones y resultados sobre pares de Jordan las sustituiremos por sus caracterizaciones equivalentes en función del producto triple
con σ = ±.
Ejemplo 1.1.18. [30, Lemma 3.2 (a)] Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con , y sea B ⊂ L un ideal interno abeliano de L. Asociado a B podemos considerar el subcociente (B, L/KerLB), que es un par de Jordan con productos
para todo b1, b2 ∈ B y para todo ∈ L/KerLB, donde = x + KerLB, = y + KerLB.
En particular, si a ∈ L es un elemento Jordan, ([a, [a, L]], L/KerL[a]L) y ([a, [a, L]] + ϕa, L/ KerL(a)L) son pares de Jordan.
Observación 1.1.19. Sea V = (V+, V−) un par de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ, con , y sea a ∈ V−σ, σ = ±. El ϕ-módulo Vσ tiene estructura de álgebra de Jordan con el producto dado por para todo x, y ∈ Vσ. Esta álgebra de Jordan se denota por V(a) y se denomina el álgebra a-homótopa de V [51, 1.9].
Si L es un álgebra de Lie no degenerada sobre un anillo de escalares ϕ, con , y a ∈ L es un elemento Jordan de L, podemos considerar el par de Jordan V = ([a, [a, L]] + ϕa, L/KerL(a)L). Entonces V(a) coincide con el álgebra de Jordan La con el producto para todo x, y ∈ L [30, Remark 3.6].
Definición 1.1.20. Sea ϕ un anillo de escalares. Un par asociativo A = (A+, A−) es un par de ϕ-módulos dotado con dos aplicaciones trilineales
tales que
para todo x, z, u ∈ Aσ y para todo y, v ∈ A−σ, donde σ = ±.
Ejemplo 1.1.21. Sea ϕ un anillo de escalares y sea R un álgebra asociativa sobre ϕ. Entonces V = (R, R) con producto triple dado por xyz para todo x, y, z ∈ R es un par asociativo.
Ejemplo 1.1.22. Si X e Y son dos ϕ-módulos sobre un anillo de escalares ϕ, entonces el par
con el triple producto f1g1f2 y g1f1g2, para todo f1, f2 ∈ Homϕ(X, Y) y para todo g1, g2 ∈ Homϕ(Y, X), es un par asociativo.
Observación 1.1.23. Si A = (A+, A−) es un par asociativo sobre un anillo de escalares ϕ, entonces el par (A+, A−) con producto para todo x ∈ Aσ y para todo y ∈ A−σ, donde σ = ±, es un par de Jordan que denotaremos por V = (A+, A−)(+).
Si , ∈ ϕ, en términos del producto triple tenemos que V = (A+, A−)(+) es un par de Jordan con productos
para todo x, z ∈ Aσ y todo y, t ∈ A−σ, para σ = ±.
Definición 1.1.24. Sea V = (V+, V−) un par de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ, con , ∈ ϕ.
▪ Diremos que el par de ϕ-módulos S = (S+, S−) es un subpar del par de Jordan V = (V+, V−) si los módulos Sσ son submódulos de Vσ tales que {Sσ, S−σ, Sσ} ⊂ Sσ, para σ = ±.
▪ Un ideal de V es un par de ϕ-módulos I = (I+, I−), con Iσ ⊂ Vσ, tales que
para σ = ±.
▪ Sea I = (I+, I−) un ideal del par de Jordan V = (V+, V−). Definimos el anulador de I como el par de ϕ-módulos
donde AnnV(I)σ es el conjunto de todos los elementos x ∈ Vσ tales que
para σ = ±. En este caso, se tiene que AnnV(I) es un ideal de V.
▪ Dados dos pares de Jordan V = (V+, V−) y W = (W+, W−) sobre el mismo anillo de escalares ϕ, un homomorfismo entre V y W es un par de aplicaciones ϕ-lineales, φ = (φ+, φ−), con φσ : Vσ → Wσ, para σ = ±, tales que
para todo x, z ∈ Vσ y para todo y ∈ V−σ, σ = ±. Tal y como ocurre en el caso de las álgebras asociativas, se tiene que la imagen de un homomorfismo de pares de Jordan φ : V → W es un subpar de W y el núcleo es un ideal de V.
▪ Diremos que el par V es primo si {Iσ, J−σ, Iσ} = 0, para σ = ±, implica I = 0 o J = 0 para ideales cualesquiera I, J de V.
▪ Un par de Jordan V es no degenerado si no tiene divisores absolutos de cero no nulos, es decir, si para todo x ∈ Vσ tal que {x, V−σ, x} = 0, entonces x = 0, donde σ = ±. Diremos que V es fuertemente primo si V es primo y no degenerado.
Por [2, Lemma 1.10] se tiene la siguiente caracterización para pares de Jordan fuertemente primos.
Teorema 1.1.25. Sea V = (V+, V−) un par de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ. Entonces V es fuertemente primo si, y solo si, para todo x, y ∈ Vσ tales que , se tiene que x = 0 o y = 0 (σ = ±).
Definición 1.1.26. Sea ϕ un anillo de escalares y sea V = (V+, V−) un par de Jordan. Diremos que V es especial si V es un subpar del par de Jordan (A+, A−)(+) para algún par asociativo A = (A+, A−) sobre ϕ.
Ejemplo 1.1.27. [25] Un ejemplo de par de Jordan especial que será relevante en lo que sigue es
donde X e Y son dos ϕ-módulos sobre un anillo de escalares ϕ.
Definición 1.1.28. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ. Una ℤ-graduación finita es una ℤ-graduación no trivial de L tal que el soporte, supp L = {m ∈ ℤ : Lm ≠ 0}, es finito. En este caso
para algún entero positivo n ∈ ℤ. Si L−n + Ln ≠ 0, diremos que esta ℤ-graduación es una (2n + 1)-graduación.
Observación 1.1.29. Si L = L−n ⊕ . . . ⊕ Ln es un álgebra de Lie (2n + 1)-graduada sobre un anillo de escalares ϕ, con , entonces V = (L−n, Ln) es un par de Jordan con productos
para todo x, z ∈ L−n y para todo y, t ∈ Ln [62, p. 351]. A este par de Jordan se le denomina par de Jordan asociado a L.
Definición 1.1.30. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ. Una ℤ-filtración es una cadena de submódulos de L
tal que para todo i, j ∈ ℤ. Diremos que esta filtración es acotada si existen n, m ∈ ℤ, con n < m, tales que para todo i ≤ n y para todo j ≥ m.
Observación 1.1.31. Si es una ℤ-filtración de un álgebra de Lie L sobre ϕ, podemos considerar el ϕ-módulo
con el producto para todo ∈ y para todo . De esta forma, tenemos que L̂ tiene estructura de álgebra de Lie ℤ-graduada sobre ϕ, y se le llama álgebra de Lie ℤ-graduada inducida por la ℤ-filtración .
Ejemplo 1.1.32. [35, Theorem 1.2] Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con . Sea a ∈ L un elemento Jordan y consideremos los conjuntos
Así, tenemos que es una ℤ-filtración acotada de L. A esta filtración se le denomina filtración principal de L definida por a.
En esta sección trabajaremos con anillos no necesariamente unitarios. Nos referiremos a [9, Chapter 2] y a [25] para la definición y propiedades sobre el centroide extendido de un anillo semiprimo.
Definición 1.2.1. Un anillo R se dirá que es semiprimo si 12 ≠ 0 para todo ideal no nulo I de R. Diremos que R es primo si IJ ≠ 0 para todo par de ideales no nulos I, J de R.
Observación 1.2.2. Se tiene que R es semiprimo si, y solo si, aRa ≠ 0 para todo elemento no nulo a ∈ R. Análogamente, R es primo si, y solo si, aRb ≠ 0 para todo a, b ∈ R, con a, b ≠ 0.
Definición 1.2.3. Sea R un anillo y sea I un ideal de R.
▪ Si R tiene involución *, se dirá que I es un *-ideal de R si y* ∈ I para todo y ∈ I.
▪ Diremos que R es *-primo si IJ ≠ 0 para todo par de *-ideales no nulos I, J de R.
▪ Se dirá que I es un ideal primo de R si R/I es primo.
▪ Si R tiene involución *, se dirá que un *-ideal I de R es *-primo si R/I es *-primo.
Observación 1.2.4. Si R es un anillo semiprimo, por [53] y [16] , se tiene que existe una familia de ideales primos, {Iα}α∈Δ, tal que , por tanto, R puede verse como producto subdirecto de anillos primos.
Análogamente, si R es un anillo semiprimo con involución *, entonces existe una familia de *-ideales *-primos, {Iα}α∈Δ, tal que , por tanto, R puede verse como producto subdirecto de anillos *-primos.
Definición 1.2.5. Sea R un anillo y sea I un ideal de R.
▪ Diremos que I es un ideal esencial de R si I ⋂ J ≠ 0 para todo ideal J no nulo de R.
▪ Si R tiene involucion * e I es un *-ideal de R tal que I ⋂ J ≠ 0 para todo *-ideal no nulo J de R, diremos que I es un *-ideal esencial.
Definición 1.2.6. Sea R un anillo semiprimo y denotemos por ɛ al conjunto de los ideales esenciales de R. Si I, J ≠ ɛ, entonces I ∩ J, I J ≠ ɛ. Consideremos el conjunto
donde por f : IR → RR entendemos que f es un homomorfismo de R-módulos por la derecha. Diremos que los pares (f, I) y (g, J) están relacionados, y lo denotaremos por (f, I) ~ (g, J), si existe un ideal esencial K ⊂ I ∩ J tal que f(x) = g(x) para todo x ∈ K. De esta forma, se tiene que ~ es una relación de equivalencia. Por [f, I] denotaremos a la clase de equivalencia de (f, I).
En estas circunstancias, el conjunto de las clases de equivalencia anterior con las operaciones
tiene estructura de anillo unitario [9, Chapter 2]. A este anillo unitario se le denomina el anillo de cocientes de Martindale por la derecha de R, y se denota por .
Observación 1.2.7. Nótese que si R es un anillo semiprimo, entonces la aplicación , definida por φ(r) = [λr, R] para todo r ∈ R, donde λr : R → R viene dado por λr (x) = rx para todo x ∈ R, es un monomorfismo de anillos, es decir, R puede considerarse subanillo de su anillo de cocientes de Martindale por la derecha. Además, dado cualquier , se tiene que 0 ≠ qI ⊂ R, con lo que todo subanillo S de que contenga a R es semiprimo (primo, si R es un anillo primo), ya que todo ideal no nulo de S tiene intersección no nula con R.
Definición 1.2.8. Sea R un anillo semiprimo y sea su anillo de cocientes de Martindale por la derecha. Se define el anillo simétrico de cocientes de Martindale de R como el conjunto
Observación 1.2.9. Como R es un anillo semiprimo, entonces es un anillo semiprimo, ya que es un subanillo de que contiene a R.
Observación 1.2.10. Si R es un anillo semiprimo con involución*, podemos reemplazar el conjunto de ideales esenciales por el conjunto de *-ideales esenciales en la definición del anillo simétrico de cocientes de Martindale. Esta involución puede extenderse de forma única a de la siguiente manera: sea , donde I en un *-ideal esencial de R y f : IR → RR es un homomorfismo de R-módulos por la derecha. Entonces q* = [g, I], donde g(y) := (f (y*))* para todo y ∈ I ([8, p. 858-859]).
Definición 1.2.11. Sea R un anillo semiprimo y sea su anillo simétrico de cocientes de Martindale. Se define el centroide extendido de R, y se denota por C(R), como el centro de .
Definición 1.2.12. Sea R un anillo y sea a ∈ R. Se dirá que a es regular von Neumann si existe b ∈ R tal que aba = a. Si todo elemento de R es regular von Neumann, diremos que R es regular von Neumann.
Teorema 1.2.13. Sea R un anillo semiprimo. Entonces C(R) es un anillo asociativo, conmutativo y regular von Neuman ([9, Theorem 2.3.9 (iii)]). En particular, C(R) no tiene elementos nilpotentes. Además, si R es primo, entonces C(R) es un cuerpo ([9, p. 70]).
Definición 1.2.14. Sea R un anillo primo con involución *. Diremos que * es de primera especie si la involución inducida en C(R) es la identidad. En otro caso, diremos que * es de segunda especie.
Definición 1.2.15. Sea R un anillo semiprimo. Se define la clausura central de R como R̂ = C(R) + C(R)R. Diremos que R es centralmente cerrado si R coincide con su clausura central.
Observación 1.2.16. R puede verse como subanillo de . Así, como es un subanillo de que contiene a R, entonces es semiprimo.
Por otra parte, cuando R tiene involución *, podemos extender esta involución a , ya que * puede extenderse a y posteriormente restringirse de a . Además, si R es un anillo primo centralmente cerrado y libre de torsión 2 con involución * de segunda especie, entonces existe 0 ≠ λ ∈ Skew(C(R), *), con lo que λ2 ≠ 0 tiene inverso en H(C(R), *) y, por tanto,
con lo que R = λSkew(R, *) ⊕ Skew(R, *).
En el caso en el que R sea *-primo pero no primo, siempre existe 0 ≠ λ ∈ Skew(C(R), *) tal que R = λSkew (R, *)⊕ Skew (R, *) ya que, en este caso, existe un ideal no nulo I de R tal que I ∩ I* ≠ 0, por lo que podemos definir un elemento antisimétrico no nulo λ : I ⊕ I* → R en C(R) dado por λ(x + y) = x – y para todo x ∈ I y todo y ∈ I * (ver [21, §2.4]).
Aunque hemos trabajado con anillos, los conceptos de centroide extendido y clausura central tienen análogos en álgebras asociativas. Supongamos que R es un álgebra asociativa semiprima sobre un anillo de escalares ϕ. De manera análoga, podemos definir el álgebra de cocientes de Martindale por la derecha de R, y se denota por , y el álgebra simétrica de cocientes de Martindale de R, . El centroide extendido de R es y la clausura central de R es . Diremos que el álgebra R es centralmente cerrada si R coincide con (ver [25, p. 15], [32] y [55]).
Trataremos con anillos R no necesariamente unitarios R. Si R no tiene unidad, por expresiones del tipo (1 − x)y, para x, y ∈ R, entenderemos y − xy ∈ R. Usaremos como referencia el libro de K. R. Goodearl [39].
Recordemos que un elemento a en un anillo R se dirá que es regular von Neumann si existe b ∈ R tal que aba = a. Además, si todo elemento de R es regular von Neumann, diremos que R es regular von Neumann.
Definición 1.3.1. Sea R un anillo y sea a ∈ R. Si R tiene unidad, diremos que a es unit-regular si existe b ∈ R invertible tal que aba = a.
Definición 1.3.2. Sea R un anillo y sea a ∈ R.
▪ Diremos que a es nilpotente si existe m ∈ ℕ tal que am = 0.
▪ Si es a nilpotente, se dirá que el índice de nilpotcncia de a es n si an = 0 y an−1 ≠ 0. En particular, 0 es nilpotente de índice 1.
▪ Diremos que a es nilpotente de índice maximal si a es nilpotente de índice n y R no tiene elementos nilpotentes de índice mayor que n.
Definición 1.3.3. Sea R un anillo y sean e, f ∈ R.
▪ Diremos que e es idempotente si e2 = e.
▪ Si e y f son dos idempotentes tales que ef = fe = 0, se dirá que e y f son idempotentes ortogonales.
Definición 1.3.4. Diremos que un anillo R es regular abeliano si R es regular von Neumann y todo idempotente es central, es decir, si todo idempotente de R está contenido en Z(R), el centro de R.
Observación 1.3.5. Por [39, Theorem 3.2], se tiene que un anillo regular von Neumann R es regular abeliano si, y solo si, R no tiene elementos nilpotentes no nulos.
Definición 1.3.6. Sea R un anillo no necesariamente unitario y sean I, J dos ideales de R. Diremos que R es indescomponible (como anillo) si R = I ⊕ J implica I = 0 y J = R, o bien I = R y J = 0.
Observación 1.3.7. Si R es un anillo indescomponible, entonces los únicos idempotentes centrales son 0 y 1.
En efecto, si R es indescomponible y e ∈ Z(R) es un idempotente de R, entonces R = eR ⊕ (1 − e)R, donde eR y (1 − e)R son ideales de R. Por lo tanto, o eR = 0 y (1 − e)R = R, o bien eR = R y (1 − e)R = 0. En cualquier caso, se tiene que e = 0 o e = 1.
Sea L un álgebra de Lie y sea B un ideal interno abeliano de L. En este capítulo vamos a demostrar que, cuando existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B, el ideal interno abeliano B induce una filtración acotada en L donde B es el primer submódulo no nulo de la filtración. Además, el par de Jordan asociado al álgebra de Lie ℤ-graduada inducida por esta filtración coincide con el subcociente determinado por B. Esta filtración extiende a la filtración principal inducida por un elemento ad-nilpotente de índice menor o igual que tres definida en [35]. El contenido de este capítulo está recogido en el artículo [37], el cual se encuentra enviado para su publicación.
Veamos en primer lugar que la condición [B, KerLB]n ⊂ B se verifica en las álgebras de Lie más usuales.
La siguiente proposición pertenece al artículo publicado [36]. Por el contexto de la sección se ha decidido poner en este capítulo.
Proposición 2.1.1. Sea R un álgebra asociativa prima centralmente cerrada sobre un anillo de escalares ϕ, tal que , ∈ ϕ, y sea B un ideal interno abeliano de R−. Entonces se verifica:
1. Para todo b ∈ B, existe un único λb ∈ C(R) tal que (b – λb)2 = 0.
2. B′ := {b – λb : b ∈ B} es un ideal interno abeliano de R(−) tal que B′ B′ = 0 y B′(KerR(−)B)B′ = 0.
3. B* := B+B′RB′ es un ideal interno abeliano de R(−) tal que KerR(−) B* coincide con KerR(−)B.
4. [[B*, KerR(−) B], [B*, KerR(−) B] ⊂ B*, con lo que tanto [B*, KerR(−) B] como [B, KerR(−) B] son nilpotentes de índice menor o igual que 3.
Demostración.
1. Por [19, Theorem 3.2] para todo b ∈ B, existe un único λb ∈ C(R) tal que (b − λb)2 = 0.
2. Para cualquier b ∈ B, consideramos b′ = b − λb, donde λb es el único elemento de C(R) dado en el punto anterior. Veamos primero que B′ B′ = 0. Para todo b, c ∈ B y todo x ∈ R, tenemos que
con lo que
y
Luego, por [19, Corollary 2.14], existe λ1 ∈ C(R) tal que c′b′ = λ1 b′. Análogamente, existe λ2 ∈ C(R) tal que b′c′ = λ2c′. Por lo tanto,
y, como C(R) es un cuerpo. entonces b′c′ = c′b′ = 0.
B′ es un submódulo de R, ya que para todo b, c ∈ B, se tiene que
con lo que b′ + c′ = (b + c)′ ∈ B′ . Veamos entonces que [B′, [B′, R−]] ⊂ B′. Por una parte, tenemos que
para todo b, c ∈ B y para todo x ∈ R. Además, como
y B′B′ = 0, entonces [b′, [c′,x]]2 = 0, con lo que [b′, [c′, x]] ∈ B′. Por último, si z ∈ KerR(−) B,
con lo que
y, por tanto,
Aplicando de nuevo [19, Corollary 2.14], existe μ1 ∈ C(R) tal que b′zc′ = μ1b′. Intercambiando los papeles de b′ y c′ en el argumento anterior, obtenemos que existe μ2 ∈ C(R) tal que c′zb′ = μ2c′, con lo que
Si b′ y c′ son linealmente independientes sobre C(R), entonces b′zc′ = 0.
Si por el contrario existe α ∈ C(R) tal que c′ = αb′, entonces
obteniendo de nuevo que b′zc′ = 0, con lo que B′(KerR(−)B)B′ = 0.
3. Para todo b, c ∈ B, , , , . ∈ B′ y x, y, u ∈ R tenemos que
lo que implica que B* es un ideal interno abeliano de R−.
Ahora, si z ∈ KerR(−)B, para todo b, c ∈ B, , , , ∈ B′, x, y ∈ R, tenemos que
ya que B′(KerR(−)B)B′ = 0 y, por tanto, KerR(−)B ⊂ KerR(−)B*. La contención KerR(−)B* ⊂ KerR(−)B es trivial, ya que B ⊂ B*.
4. Como KerR(−)B = KerR(−)B*, entonces
Sean b, c ∈ B* y u, v ∈ KerR(−)B. Por 1, para todo b ∈ B* existe λb ∈ C(R) tal que b−λb ∈ B′+B′RB′. Para todo b ∈ B*, denotaremos por b′ al elemento b − λb ∈ B′ + B′RB′. Entonces
a) Como B′B′ = 0 y B′(KerR(−)B)B′ = 0, tenemos que
b) 2[[b, u], [b, v]] = [b, [b, [u, v]]] ∈ B*.
c) Como
por b), entonces
d) Usando a), tenemos que
e) Como
y
entonces [[b, u], [c, v]] ∈ B*, es decir,
Luego
y, por tanto
ya que [B, KerR(−)B] ⊂ [B*, KerR(−)B].
Observación 2.1.2. Acabamos de ver que en un álgebra asociativa prima R, centralmente cerrada y sobre un anillo de escalares ϕ, con , [B, KerR(−)B] es nilpotente de índice menor o igual que 3 para todo ideal interno abeliano B de R(−). Podemos extender este resultado a álgebras asociativas semiprimas. De hecho, dado un ideal interno abeliano B de un álgebra asociativa semiprima R, como R es un producto subdirecto de álgebras asociativas primas Ri, B se descompone en un producto subdirecto de ideales internos abelianos Bi de Ri. Para cada i, consideremos la clausura central , y extendamos Bi a un ideal interno abeliano de . Así, tenemos que es nilpotente del índice menor o igual que 3 para cada i y, por tanto, es nilpotente de índice menor o igual que 3. Luego, se tiene entonces que
Corolario 2.1.3. Sea R un álgebra asociativa semiprima sobre un anillo de escalares ϕ, con , y sea B un ideal interno abeliano de R(−). Entonces [B, KerR(−)B] es una subálgebra nilpotente de R(−) de índice menor o igual que 3.
Veamos ahora qué ocurre si R es un álgebra asociativa con involución ∗.
Proposición 2.1.4. Sea R un álgebra asociativa centralmente cerrada, con involución ∗, sobre un anillo de escalares ϕ tal que . Supongamos que R es *-prima. Sea L = Skew(R, *) y sea B un ideal interno abeliano de L. Entonces [B, KerLB] es una subálgebra de L nilpotente de índice n, donde n depende de las siguientes condiciones:
1. Si R es *-prima pero no es prima, o R es prima y * es de segunda especie, entonces n ≤ 3.
2. Si R es prima y * es de primera especie, entonces n ≤ 4. En particular, si [L, L] = 0, entonces n = 1. En otro caso, b3 = 0 para todo b ∈ B y
▪ o bien existe b ∈ B tal que b3 = 0, pero b2 ≠ 0. En este caso n = 2 y L admite una 3-graduación L = L−1 ⊕ L0 ⊕ L1, con B = L−1 y KerLB = L−1 ⊕ L0,
▪ o bien B2 = 0 y n ≤ 4. Si, además, B(KerLB)B = 0, entonces n ≤ 3.
Demostración.
1. Si R es *-prima pero no prima o si es prima y la involución * es de segunda especie, existe un elemento antisimétrico no nulo λ ∈ C(R) tal que R = Skew(R, *) ⊕ λSkew(R, *). En este caso se tiene que es un ideal interno abeliano de . Por el teorema anterior, tenemos que es nilpotente de índice menor o igual que 3, con lo que [B, KerLB] es nilpotente de índice menor o igual que 3 por el punto 4 de la Proposicion 2.1.1.
2. Si la involución es de primera especie y [L, L] = 0, entonces es obvio que [B, KerLB] = 0. Si [L, L] ≠ 0 entonces, por [17, Proposition 6.2], b3 = 0 para todo b ∈ B.
▪ Si existe b ∈ B tal que b2 ≠ 0, entonces B es un ideal interno Clifford de L. Veamos que L es un álgebra de Lie 3-graduada con L−1 = B. Por [18, Definition 3.1], b es un elemento Clifford de R, b2 es regular von Neumann de R por [18] y existe d ∈ H(R, *) tal que d2 = 0, b2db2 = b2 y db2d = d. Así, se tiene que e = db2 es un *-idempotente ortogonal, es decir, e2 = e y ee* = 0 = e*e (ver [18]) y, por [18, Proposition 3.5], e induce una 3-graduación en L con
donde κ(x) = x − x* para todo x ∈ R. Por [18, Proposition 3.6(4)] b ∈ κ((1 − e)Le) = L−1. Por otra parte, el ideal interno abeliano contiene a b, ya que
por [18, Proposition 3.6(3)]. Aplicando [17, Proposition 6.2], [b, [b, L]] es un ideal interno Clifford y un ideal interno abeliano maximal de L por [17, Proposition 5.1(b)]. Luego [b, [b, L]] = B = L−1 y, por tanto, [B, KerLB] es nilpotente con índice n menor o igual que 2. Nótese que n ≠ 1 ya que, en ese caso,
Luego KerLB = L−1 ⨁ L0 y [B, KerLB] es nilpotente con índice n = 2.
▪ Si b2 = 0 para todo b ∈ B entonces, para todo b1, b2 ∈ B,
ya que 0 = [b1, b2] = b1b2 – b2b1. Luego
Por otra parte, para todo z ∈ KerLB,
es decir,
En particular,
para todo b ∈ B y para todo z ∈ KerLB.
Veamos ahora que (b1z1b2z2b3)R(b1z1b2z2b3) = 0 para todo b1, b2, b3 ∈ B y todo z1, z2 ∈ KerLB. Para todo x ∈ R tenemos que
donde (*) es por ser b2z2b1z1b2 = 0 por (2) y (3) y (**) ocurre porque [b1, [b1, z2b2x − (z2b2x)*]] ∈ B, con lo que podemos aplicar (2) y (3). Como (b1z1b2z2b3)x(b1z1b2z2b3) = 0 para todo x ∈ R y R es prima, entonces
Queremos ver que [B, KerLB]4 = 0. Co mo L es no degenerada por [11, Theorem 2.10] y [34, Proposition 4.6], es suficiente con ver que para todo b1, b2, b3, b4 ∈ B y todo z1, z2, z3, z4 ∈ KerLB se tiene que
es un divisor absoluto de cero de L, es decir, [a, [a, L]] = 0.
Para todo u ∈ L se tiene que [a, [a, u]] es una suma de monomios de la forma
con i, j, k, l, m, n, o ∈ {1, 2, 3, 4}, donde las letras mayúsculas denotan aplicaciones adjuntas, es decir, X = adx para todo x ∈ R. Como [Bp, Zp](u) = z′ ∈ KerLB, podemos reducir la expresión de cada monomio en (5) por monomios de la forma
Expandamos estos corchetes y expresemos (6) como una suma de monomios asociativos. Si dos o más elementos de B aparecen juntos, el monomio es cero por (1). Estudiemos el resto de monomios asociativos por separado y demostremos que todos son cero.
1. El monomio empieza y acaba en elementos de KerLB
Este monomio contiene una subcadena de la forma y esto es cero por (4).
2. La cadena comienza con un elemento de B y termina con un elemento de KerLB (o viceversa, la cadena comienza con un elemento de KerLB y termina con un elemento de B). Entonces dos elementos de KerLB deben aparecer juntos en la cadena:
Esto significa que en ambos lados de los dos elementos de KerLB aparecen subcadenas de la forma , con lo que el monomio es cero por (4).
3. La cadena comienza y termina con elementos de B. Tenemos entonces dos posibilidades:
▪ Tres elementos de KerLB aparecen juntos:
De nuevo, en ambos lados de los tres elementos de KerLB que están juntos, aparecen subcadenas de la forma , por lo que el monomio es cero por (4).
▪ Dos pares de elementos de KerLB aparecen juntos:
Entonces, una de las subcadenas de antes, entre o después de los dos pares de elementos de KerLB es de la forma , y de nuevo el monomio es cero por (4).
Hemos demostrado que todos los posibles monomios en la expansión asociativa de [a, [a, u]] son cero para cada u ∈ L y, por tanto, a = 0. Luego, [B, KerLB] es nilpotente de índice menor o igual a 4.
Por último, supongamos que B(KerLB)B = 0 y veamos entonces que [B, KerLB]n = 0 con n ≤ 3. Consideremos , entonces es un ideal interno abeliano de R(−), ya que
Además, como B(KerLB)B = 0, entonces
con lo que . Aplicando el punto 4 de la Proposicion 2.1.1, es nilpotente de índice menor o igual que 3 y, por lo tanto, [B, KerLB] es también nilpotente de índice menor o igual que 3.
Observación 2.1.5. Como toda álgebra asociativa semiprima R con involución * es producto subdirecto de álgebras asociativas *-primas Ri, dado un ideal interno abeliano B de L = Skew(R, *) podemos considerar las proyecciones Bi de B sobre Li = Skew(Ri, *). Sea la clausura central de cada Ri y sea el ideal interno abeliano generado por Bi en . Por el teorema anterior, es nilpotente del índice menor o igual a 4, con lo que [Bi, KerLi Bi] es nilpotente de índice menor o igual a 4 para cada i. Luego, [B, KerLB] es nilpotente del índice menor o igual que 4. Así, tenemos entonces que
Corolario 2.1.6. Sea R un álgebra asociativa semiprima con involución * sobre un anillo de escalares ϕ, con . Sea L = Skew (R, *) y sea B un ideal interno abeliano de L. Entonces [B, KerLB] es una subálgebra nilpotente de L de índice menor o igual que 4.
Observación 2.1.7. Sea L un álgebra de Lie no degenerada sobre un anillo de escalares ϕ, con . Entonces, para cada ideal interno abeliano no nulo B de longitud finita de L (es decir, toda cadena de ideales internos propios de L contenidos en B es acotada), existe una ℤ-graduación finita L = L−n ⊕ … ⊕ L0 ⊕ … ⊕ Ln tal que B = Ln (esto siempre ocurre, por ejemplo, cuando L es no degenerada y de dimensión finita), [30, Corollary 6.2]. Con respecto a esta graduación, KerLB = L−(n−1) ⊕ … ⊕ L0 ⊕ … ⊕ Ln, con lo que [B, KerLB] ⊂ Li ⊕ … ⊕ Ln y, por tanto, [B, KerLB]n ⊂ B.
Observación 2.1.8. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con . Para cualquier ideal interno abeliano B de L, se tiene que [B, KerLB] es localmente nilpotente. De hecho, para todo b0, . . . , bi, . . . , bj, . . . , bs ∈ B y todo k0, . . . , ks ∈ KerLB, con 1 < i < j y bi = bj, tenemos que
aplicando la filtración principal de L definida por bi [35], ya que [B, KerLB] ⊂ 𝒢0 y [bi, KerLB] ⊂ 𝒢−1. Por lo tanto,
Toda subálgebra de [B, KerLB] finitamente generada está contenida en una subálgebra generada por algún conjunto finito de la forma
En cada una de estas subálgebras finitamente generadas, todo producto
para , debe ser cero porque habrá al menos un elemento repetido entre bi2, ... ,bit y, según la fórmula anterior, este producto es cero.
Hemos demostrado que cuando B es un ideal interno abeliano de un álgebra asociativa semiprima R (ver Corolario 2.1.3), cuando B es un ideal interno abeliano de los elementos antisimétricos de un álgebra asociativa semiprima con involución (ver Corolario 2.1.6), o cuando B es un ideal interno abeliano de longitud finita de un álgebra de Lie no degenerada (ver Observación 2.1.7), la condición [B, KerLB]n ⊂ B siempre se verifica para un cierto n ∈ ℕ. Esto justifica la siguiente conjetura.
Conjetura 2.1.9. Sea L un álgebra de Lie no degenerada (quizás fuertemente prima o simple) sobre un anillo de escalares ϕ, con , y sea B un ideal interno abeliano de L. Entonces existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B.
En esta sección construiremos una filtración asociada a un ideal interno abeliano. Si B es un ideal interno abeliano de un álgebra de Lie L tal que [B, KerLB]n ⊂ B para algún n ∈ ℕ, vamos a demostrar que B induce una filtración acotada de L empezando en B y cuyo penúltimo submódulo coincide con KerLB.
Teorema 2.2.1. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que . Sea B un ideal interno abeliano de L y supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B. Entonces la cadena, de submódulos de L
donde y para todo m > n y
es una ℤ-filtración acotada de L. Además, el álgebra de Lie ℤ-graduada inducida
tiene como par de Jordan asociado al subcociente (B, L/KerLB).
Demostración. Denotemos por K := KerLB. Veamos primero que para todo i ∈ ℤ. Claramente ad[B,K][B, K] ⊂ [B, [K, [B, K] + ⊂ [B, K], luego para todo k = 2, . . . , n − 1. Además, , ya que [B, [B, K]] + [B, B] = 0 ∈ B. La contención la tenemos por definición de . Como [[B, K],K] ⊂ K, entonces para todo s = 1, . . . , n − 2. con lo que para todo s = 1, ... , n − 2. Por último, y .
Usando la identidad de Jacobi tenemos que, para todo k ∈ ℕ,
También se tiene que
Además, dados y k ∈ K, para todos b, b′ ∈ B,
ya que [b, x], [b′, x] ∈ B y B es abeliano. Por otra parte,
por ser
para todo b ∈ B.
Veamos ahora que para todo i, j ∈ ℤ.
1. para todo r, s ∈ {1, . . . , n}. Por (a)
2. para todo r ∈ {−n, . . . , n} por (b) y la identidad de Jacobi.
3. para todo r, s ∈ {1, . . . , n}. Por (a) y (b) tenemos que
Distinguiremos tres casos:
▪ Si r = s, por (c)
▪ Si r > s,
▪ Si r < s, entonces
4. para todo r, s ∈ {1, . . . , n}. Aquí distinguiremos dos casos:
▪ Si r + s ≥ n, entonces no hay nada que probar, ya que .
▪ Si r + s < n, entonces 2n − 2 − r − s ≥ n − 1. Procederemos por inducción sobre r desde n − 2 hasta 1. Si r = n − 2, solo necesitamos estudiar s = 1.
Supongamos que para todo s y veamos que se verifica para r − 1:
Por último, como , entonces y, por tanto, el par Jordan asociado coincide con el subcociente (B, L/K).
Podemos aplicar ahora este resultado al caso asociativo, con o sin involución.
Corolario 2.2.2. Sea R un álgebra asociativa semiprima sobre un anillo de escalares ϕ, , y sea B un ideal interno abeliano de R(−). Entonces existe n ∈ ℕ, con n ≤ 3, tal que la cadena de submódulos de R(−)
con , , es una ℤ-filtración acotada de R(−).
Demostración. Como R es un álgebra semiprima sobre un anillo de escalares ϕ, con , ∈ ϕ entonces, por el Corolario 2.1.3, [B, KerR(−) B] es una subálgebra nilpotente de R(−) de índice n ≤ 3 y, por tanto, [B, KerR(−) B]n = 0 ⊂ B. Aplicando el teorema anterior tenemos que
con , , es una ℤ-filtración acotada de R(−).
Corolario 2.2.3. Sea R un álgebra asociativa semiprima con involución * sobre un anillo de escalares ϕ, con . Sea L = Skew(R, *) y sea B un ideal interno abeliano de L. Entonces existe n ∈ ℕ, con n ≤ 4, tal que la cadena de submódulos de L
con , y , es una ℤ-filtración acotada de L.
Demostración. Como R un álgebra asociativa semiprima con involución * sobre un anillo de escalares ϕ, con entonces, por el Corolario 2.1.6, [B, KerLB] es una subálgebra nilpotente de L de índice n ≤ 4 y, por tanto, [B, KerR−B]n = 0 ⊂ B. Aplicando el teorema anterior tenemos que
con , y , es una ℤ-filtración acotada de L.
Observación 2.2.4. Recordemos que en [35, Theorem 1.2] se introduce la filtración principal asociada a un elemento ad-nilpotente de índice menor o igual que 3 de un álgebra de Lie. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con y sea a ∈ L un elemento Jordan (un elemento tal que . Sea y consideremos los conjuntos
Entonces {𝒢i}i∈ℤ es una ℤ-filtración acotada de L, llamada filtración principal de L definida por a.
Por otra parte, todo elemento a ∈ L ad-nilpotente de índice 3 genera el ideal interno abeliano
Como se demuestra en [30, Lemma 3.7], si L es no degenerada, entonces KerLa = KerL(a)L.
Supongamos que L es un álgebra de Lie no degenerada sobre un anillo de escalares ϕ, con , ∈ ϕ. Consideremos B = (a)L y denotemos por K = KerLa = KerL(a)L. En este caso, es claro que [[B,K], [B,K]] ⊂ B, ya que
Por lo tanto, podemos considerar la ℤ-filtración acotada asociada al ideal interno abeliano B = (a)L dada por el Teorema 2.2.1.
Vamos a comparar la filtración asociada al ideal interno abeliano (a)L, , con la filtración principal de L definida por a:
1.
2. , ya que para todo x ∈ L y todo z ∈ K se tiene que
por ser [[a, L], K] + [L, [a, K]] ⊂ K. Por otra parte, se tiene que
obteniendo así que .
3. ya que dado x ∈ 𝒢0, se tiene que [x, a] ∈ [a, [a, L]] ⊂ F−2 y, por tanto,
4. Por construcción, , para i ≥ 1.
Por lo tanto tenemos que
y ambas filtraciones coinciden cuando a ∈ [a, [a, L]].
En [27] A. Fernández López, E. García, y M. Gómez Lozano construyen álgebras de Jordan asociadas a elementos ad-nilpotentes de índice menor o igual a tres de un álgebra de Lie. En este capítulo estudiaremos condiciones sobre la propia estructura de las álgebras de Lie que implican la especialidad de estas álgebras de Jordan. Se obtienen resultados similares cuando tratamos con subcocientes asociados a ideales internos abelianos.
En esta sección daremos una condición suficiente para la especialidad del álgebra de Jordan La en un elemento de Jordan a. Aunque La es un álgebra de Jordan, la condición para su especialidad será una condición de Lie: [KerLa, KerLa] ⊄ KerLa. Se ha decidido separar ambas secciones a pesar de que esta sección es un caso particular de la siguiente, ya que la especialidad del álgebra de Lie La tiene interés en sí mismo y es habitual en la literatura separar este caso del caso del subcociente ([a, [a, L]] + ϕa, L/KerL(a)L). Los resultados de este capítulo aparecen en el artículo publicado [36].
Lema 3.1.1. Sea L = L−n ⊕ ... ⊕ L−1 ⊕ L0 ⊕ L1 ⊕ ... ⊕ Ln un álgebra de Lie (2n + 1)-graduada sobre un anillo de escalares ϕ, con , ∈ ϕ. Entonces el par V := (L−n, Ln) con productos
para todo x, z ∈ L−n y para todo y, t ∈ Ln es un par de Jordan. Además, para cualquier i ∈ {1, 2, ... , n − 1}, el par de aplicaciones lineales
definidas por Ψσi(x)(y) = adx(y) para todo x ∈ L−σn y todo y ∈ Li, si σ = +, o y ∈ Li−n, si σ = −, es un homomorfismo de pares de Jordan entre V y el par de Jordan especial (Hom(Li, Li−n), Hom(Li−n, Li))(+).
Demostración. Tenemos que V es un par de Jordan por [62, p. 351]. Además, como se menciona en la demostración de [25, Theorem 11.34], es fácil ver que
es un homomorfismo entre pares de Jordan para todo i = 1, 2, ... , n – 1. Añadiremos la demostración por completitud.
Sea i ∈ {1, 2, ... , n − 1} y sean x, z ∈ L−n, y, t ∈ Ln, u ∈ Li, v ∈ Li−n. Entonces
ya que [y, u] = 0 y [x, [z, u]] = 0. Análogamente,
por ser [x,v] = 0 y [y, [t, v]] = 0.
Luego (Ψi, Ψ−i) es un homomorfismo de pares de Jordan.
Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que , ∈ ϕ. Sea a ∈ L un elemento Jordan y consideremos la filtración principal de L definida por a :
Así, tenemos que
es un álgebra de Lie 5-graduada [35, 1.4]. En particular, es el par de Jordan asociado a .
Lema 3.1.2. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que ϕ. Sea a ∈ L un elemento Jordan y consideremos la filtración principal de L definida por a, . Entonces, el par de aplicaciones
definidas por Ψ1(b) = adb para todo b ∈ [a, [a, L]] + ϕa, y para todo , es un homomorfismo de pares de Jordan entre V = (𝒢−2, 𝒢2/𝒢1) y el par de Jordan especial
Demostración. Consideremos el álgebra de Lie graduada
Las aplicaciones Ψ1 y Ψ−1 están bien definidas y (Ψ1, Ψ−1) es un homomorfismo de pares de Jordan entre V = (𝒢−2, 𝒢2/𝒢1) y el par de Jordan especial
por el lema anterior.
Proposición 3.1.3. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con y sea a ∈ L un elemento Jordan. Entonces el par
es un ideal del par de Jordan V = (V+, V−) = ([a, [a, L]] + ϕa,L/KerLa). Además, si L es no degenerada,
Demostración. Veamos que es un ideal de V. Para todo z1, z2 ∈ KerLa, todo x, y ∈ L y todo λ ∈ ϕ, usando la identidad de Jacobi y teniendo en cuenta las propiedades de la filtración principal de L definida por a, tenemos que
ya que [a, [a, [𝒢1, 𝒢1]]] ⊂ [𝒢−1, 𝒢−1] por ser [a, [a, [k, l]]] = 2[[a, k], [a, l]] para todo k, l ∈ KerLa. Esto demuestra que
De forma análoga,
con lo que
Por otra parte,
y, análogamente,
lo que prueba que
Por último,
y, por tanto
Supongamos ahora que L es no degenerada. Tenemos que demostrar que . Como L es no degenerada, entonces V es no degenerado [30, Proposition 3.5 (iii)]. Ahora bien, como V es no degenerado, entonces es el conjunto de los elementos z tales que {z, I, z} = 0 [54, Proposition 1.7].
Sea u ∈ 𝒢−2 tal que u ∈ KerΨ1. Entonces [u, KerLa] ⊂ 𝒢−2 y, por tanto, para todo z1, z2 ∈ KerLa, se tiene que
con lo que u pertenece al anulador de .
Sea ahora . Como entonces . Para ver que pertenece al anulador de , veamos que
o, equivalentemente,
Sean z1, z2 ∈ KerLa,
Luego pertenece al anulador de y, por tanto, .
Corolario 3.1.4. Sea L un álgebra de Lie fuertemente prima sobre un anillo de escalares ϕ, con , y sea a ∈ L un elemento Jordan. Si KerLa no es subálgebra de L, entonces La es un álgebra de Jordan fuertemente prima y especial.
Demostración. El par de Jordan es el subcociente de L determinado por el ideal interno abeliano con lo que V es fuertemente primo por [30, Proposition 3.5 (iii)]. Si KerLa no es subálgebra de L, entonces el ideal de V
es no nulo y, por tanto, es cero, ya que , es un ideal de V y V es primo.
Por la proposición anterior, tenemos que , con lo que () es un monomorfismo entre el par de Jordan V y el par de Jordan especial
con lo que V es un par de Jordan especial.
Como el álgebra de Jordan La puede considerarse como el álgebra de Jordan a-homótopa V(a) ([30, Remark 3.6]) y V es especial, entonces La es especial. Además, por [33, Theorem 2.2], tenemos que La es fuertemente prima.
En esta sección nos ocuparemos de los subcocientes asociados a los ideales internos abelianos B de L. Recordemos que un ϕ-módulo B de L es un ideal interno abeliano si [B, [B, L]] ⊂ B y [B, B ] = 0. El núcleo de un ideal interno abeliano es
Asociado a un ideal interno abeliano B de L podemos considerar el subcociente (B, L/KerLB), que es un par de Jordan con productos
para todo b1, b2 ∈ B y para todo , , ver [30, Lemma 3.2 (a)]
Recordemos que si existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B, entonces podemos considerar la filtración asociada a B dada por el Teorema 2.2.1, , donde para todo , y
Además, el álgebra de Lie ℤ-graduada inducida
tiene como par de Jordan asociado al subcociente (B, L/KerLB).
Proposición 3.2.1. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que . Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB = {x ∈ L : [B, [B, x]] = 0}. Supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B y consideremos la filtración asociada a B, . Entonces, el par de aplicaciones
definidas por para todo y para todo y ∈ , es un homomorfismo de pares de Jordan entre y el par de Jordan especial
Demostración. Como , podemos considerar el álgebra de Lie (2n + 1)-graduada
Las aplicaciones Ψn−1 y Ψ1−n están bien definidas y (Ψn−1, Ψ1−n) es un homomorfismo de pares de Jordan entre
y el par de Jordan especial
por el Lema 3.1.1.
Proposición 3.2.2. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que . Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB. Entonces el par
es un ideal del par de Jordan .
Demostración. Sean . Veamos primero que .
ya que .
Luego .
Veamos ahora que .
por ser
y , ya que [B, L] ⊂ KerLB.
Ahora, veamos que .
con lo que .
Por último, veamos que .
y, por tanto, .
Luego es un ideal del par de Jordan V = (B, L/KerLB).
Definición 3.2.3. Sea V = (V+, V−) un par de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ, con , y sea J = (J+, J−) un ideal de V. Para cada m ≥ 0, definimos , donde
Lema 3.2.4. Sea V = (V+, V−) un par de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ, con . y sea J = (J+, J−) un ideal de V. Entonces se verifica:
1. (J3m+1)σ ⊂ (J3m)σ para todo m ≥ 0, donde σ = ±.
2. J3m+1 es ideal es ideal de J3m para todo m ≥ 0.
3. Si V es no degenerado y J ≠ 0, entonces J3m es no nulo y no degenerado para cada m ≥ 0.
Demostración. Consideremos σ = ±.
1. Veamos que (J3m+1)σ ⊂ (J3m)σ para todo m ≥ 0. Para m = 0 es claro, ya que
por ser J ideal de V.
Supongamos entonces que (J3m+1)σ ⊂ (J3m)σ para un cierto m ≥ 0 y veamos que se verifica para m + 1.
Luego (J3m+1)σ ⊂ (J3m)σ para todo m ≥ 0.
2. Como (J3m+1)σ ⊂ (J3m)σ para cada m ≥ 0, entonces
con lo que J3m+1 es sub par de V. Además.
3. Como V es no degenerado y J es ideal de V, entonces J es no degenerado [25, p. 174]. Análogamente, como J es no nulo y no degenerado, y J3 es ideal de J, donde
entonces J3 es no nulo. Además, como J3 es un ideal no nulo de J y J es no degenerado, entonces J3 es no degenerado.
Razonando de manera análoga para cada m ≥ 0, tenemos que J3m es no nulo y no degenerado.
Proposición 3.2.5. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que . Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB. Supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B y consideremos el ideal 𝒥 = (𝒥+, 𝒥−) = (KerΨn−1, KerΨ1−η), donde (Ψn−1, Ψ1−n) es el homomorfismo de pares de Jordan dado en la Proposición 3.2.1. Entonces
Además, si L es no degenerada, entonces
para todo , donde
Demostración. Procederemos por inducción sobre m ≥ 0. Si m = 0, entonces 𝒥+ = KerΨn−1. con lo que si b ∈ KerΨn−1, entonces
Supongamos ahora que
y veamos que
Sean b1, b2 ∈ (𝒥3m−1)+, y consideremos . Sea z ∈ KerLB, tenemos que ver que [b3, z] ∈ [B, KerLB]m+2 + B.
Ahora bien, como
entonces
Luego
para todo m ≥ 0.
Supongamos ahora que L es no degenerada. Entonces V es no degenerado por [30, Proposition 3.5 (iii)]. Veamos que . Sea b ∈ (J3m)+ y sean z1, z2 ∈ KerLB. Entonces, para ,
ya que [B, KerLB]n ∈ B. Luego, por la caracterización del anulador de un ideal para pares de Jordan no degenerados ([54, Proposition 1.7]), tenemos que .
Corolario 3.2.6. Sea L un álgebra de Lie fuertemente prima sobre un anillo de escalares ϕ tal que . Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB. Supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B. Si KerLB no es subálgebra de L, entonces el subcociente (B, L/KerLB) es un par de Jordan especial fuertemente primo.
Demostración. Como L es fuertemente prima, entonces el par de Jordan V = (B, L/KerLB) es fuertemente primo por [30, Proposition 3.5 (iii)]. Si KerLB no es subálgebra de L, entonces el ideal
es no nulo y, por tanto, es cero, ya que , es un ideal de V y V es primo.
Por la proposición anterior, existe m ∈ ℕ tal que J3m = 0 y, por el punto 3 del lema anterior. tenemos que 𝒥 = (kerΨ1, kerΨ−1) = 0, con lo que (Ψ1, Ψ−1) es un monomorfismo entre el par de Jordan V y el par de Jordan especial
y, por tanto, V es un par de Jordan especial.
Lema 3.2.7. Sea R un álgebra asociativa prima y centralmente cerrada sobre un anillo de escalares ϕ, con , y sea ℬ un ideal interno abeliano de R(−)/Z(R). Entonces existe un ideal interno abeliano B′ de R(−) tal que B′B′ = 0 y π(B′) = ℬ, donde π : R(−) → R(−)/Z(R) denota la proyección canónica. En particular, B′ ∩ Z(R) = 0.
Demostración. Veamos que B := π−1(ℬ) es un ideal interno abeliano de R(−). Como
entonces [B, [B, R]] ⊂ B. Además, si b ∈ B, , por ser ℬ un ideal interno abeliano de R−/Z(R) y, por tanto, , por [19, Lemma 3.1]. Aplicando de nuevo que ℬ es ideal interno abeliano de R−/Z(R), tenemos que [b1, b2] = b1b2 − b2b1 ∈ Z(R) para todo b1, b2 ∈ B, con lo que
y, por tanto, [b1, b2] = 0, ya que [b1, b2] es un elemento nilpotente del centro de un álgebra prima.
Por último, consideramos B′ el ideal interno abeliano de R(−) asociado a B como en el segundo punto de la Proposición 2.1.1. Para este ideal interno abeliano B′ se verifica que π(B′) = π(B) = ℬ y B′B′ = 0. Para acabar, veamos que B′ ∩ Z(R) = 0. Sea b′ ∈ B′ ∩ Z(R) entonces, para todo x ∈ R, tenemos que
y, por tanto,
ya que B′B′ = 0. Luego b′ = 0 por ser R un álgebra prima.
Como era de esperar, en el siguiente resultado se demuestra que el subcociente asociado a un ideal interno abeliano en L = R(−)/Z(R) es especial cuando R es un álgebra asociativa prima y [KerLB, KerLB] ⊄ KerLB.
Corolario 3.2.8. Sea R un álgebra asociativa prima sobre un anillo de escalares ϕ tal que . Sea B un ideal interno abeliano de L = R(−)/Z(R) y consideremos KerLB. Si KerLB no es subálgebra de L, entonces el subcociente (B, L/KerLB) es especial y fuertemente primo.
Demostración. Como R es prima entonces, por [34, Lemma 4.2], L es fuertemente prima y, por tanto, el subcociente (B, L/KerLB) es fuertemente primo por [30, Proposition 3.5 (iii)]. Consideremos la clausura central de R, y sea la extension por escalares de B en . Como R es prima, entonces es prima. Luego, por el lema anterior, podemos suponer que , donde B′ es un ideal interno abeliano de tal que B′B′ = 0 y π denota la proyección canónica de sobre . Por el apartado 4 de la Proposicion 2.1.1, tenemos que es nilpotente y, por tanto, es una subálgebra de nilpotente. Por el Corolario 3.2.6, tenemos que el subcociente es especial. Luego (B, L/KerLB) es especial.
Observación 3.2.9. Si L un álgebra de Lie no degenerada sobre un anillo de escalares ϕ, con , vimos que para cada ideal interno abeliano no nulo B de longitud finita de L, existe una ℤ-graduación finita L = L−n ⊕ · · · ⊕ L0 ⊕ · · · ⊕ Ln tal que B = Ln [30, Corollary 6.2], Esto siempre ocurre, por ejemplo, cuando L es no degenerada y de dimensión finita. Con respecto a esta graduación, KerLB = L−(n−1) ⊕ · · · ⊕ L0 ⊕ · · · ⊕ Ln y [B, KerLB]n ⊂ B, con lo que [B, KerLB]n+1 = 0.
Cuando la graduación es una 3-graduación, L = L−1 ⊕ L0 ⊕ L1, KerLB = L0 ⊕ L1 es siempre es una subálgebra de L. En esta situación, el Corolario 3.2.6 no da información sobre la especialidad del subcociente (B, L/KerLB) ≅ (L1, L−1). Si revisamos la lista de ideales internos abelianos de las álgebras de Lie de dimensión finita simple sobre un cuerpo algebraicamente cerrado de característica cero dada en [23], solo cuando L = E6 o E7 encontramos subcocientes excepcionales: si L = E6, el subcociente asociado al ideal interno abeliano B{1} (con la notación de [23]) es isomorfo al par BiCayley excepcional y, si L = E7, el subcociente asociado al ideal interno abeliano B{7} (con la notación de [23]) es isomorfo al par de Albert excepcional. El resto de subcocientes de ideales internos abelianos de las álgebras de Lie simples de dimensión finita sobre un cuerpo algebraicamente cerrado de característica cero son especiales.
El contenido de este capítulo se encuentra en el artículo publicado [38]. En este último capítulo daremos una nueva demostración de la forma canónica de Jordan de un elemento nilpotente en un anillo arbitrario. Si a ∈ R es un elemento nilpotente del índice n y an − 1 es regular von Neumann, podemos descomponer a = ea + (1 − e)a, siendo un bloque de Jordan de tamaño n × n, donde S es un anillo unitario, y (1 − e)a es nilpotente de índice menor que n para un idempotente e ∈ R tal que ae = ea. Este resultado hace posible caracterizar los anillos primos de índice acotado n, con un elemento nilpotente a ∈ R de índice n y tal que an−1 es regular von Neumann, como un anillo de matrices sobre un dominio unitario. Además, el material de este capítulo ha sido de utilidad para describir los elementos ad-nilpotentes en álgebras de Lie que proceden de álgebras asociativas con involución [20].
A lo largo de este capítulo trataremos con anillos no necesariamente unitarios. Si R es un anillo no unitario, por expresiones del tipo (1 − x)y, para x, y ∈ R, entenderemos y − xy ∈ R.
El siguiente lema es análogo a [31, Lema 3.2], pero hemos cambiado ligeramente su demostración para generalizar el resultado a anillos arbitrarios.
Lema 4.1.1. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Entonces existe b ∈ R tal que an−1ban−1 = an−1, ban−1b = b y bakb = 0 para todo k ∈ {0,1, …, n − 2}.
Demostración. Como an−1 es regular von Neumann, existe b ∈ R tal que an−1ban−1 = an−1. Consideremos b′ = ban−1 b ∈ R, entonces se tiene que
y
Consideremos ahora c = b′ − ab′an−2b′. Entonces tenemos que
y
Usaremos un argumento recursivo. Por inducción decreciente sobre s = n − 2, ... , 0, supongamos que existe b ∈ R tal que, para todo k ∈ {s + 1, ... , n − 2}, tenemos que
Definamos d := 1 − an−1−sbas, entonces c := db verifica
para todo k ∈ {s + 1, ... , n − 1}, ya que n + k − 1 − s ≥ n para todo k ∈ {s + 1, ... , n − 1} y an = 0. Además,
y, para todo k ∈ {s + 1, … , n − 1},
Veamos que casc = 0:
Por lo tanto, podemos concluir la demostración por recursión.
Definición 4.1.2. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. A un elemento b ∈ R con las características del lema anterior se le denomina inverso de Rus de a.
Teorema 4.1.3. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Sea b ∈ R un inverso de Rus de a. Entonces existen n idempotentes ortogonales no nulos en R (que dependen de b) tales que, si , entonces se verifica:
1. ea = ae,
2. an−1e = an−1,
3. (1 − e)a es nilpotente de índice menor que n,
4. eRe ≅ ℳn(e1Re1) y, si denotan a las matrices unidades del anillo de matrices eRe, entonces
5. Para todo s ∈ {1, 2, ... , n − 1}, (ea)s es unit-regular en eRe ya que, si , entonces (ea)sds (ea)s = (ea)s y ds es invertible en eRe.
Demostración. Como a es un elemento nilpotente de R de índice n tal que an−1 es regular von Neumann entonces, por el Lema 4.1.1, a tiene inverso de Rus en R, es decir, existe b ∈ R tal que
para todo k ∈ {0, 1, ... , n − 2}. Consideremos ei,j = ai − 1 ban − j para i, j = 1, 2, ... , n. Entonces tenemos que
donde δv, r denota la delta de Kronecker, es decir, δv, r = 0, si v ≠ r, y δv, r = 1, si v = r. Por lo tanto, es un conjunto de idempotentes ortogonales. Además, estos idempotentes son no nulos, ya que
1. Como ,
para todo k = 2, . . . , n, entonces es un idempotente de R que conmuta con a:
2. .
3. Como , entonces
4. Como es un conjunto de matrices unitarias, donde ei,j = ai−1ban−j para cada i, j ∈ {1, 2, . . . , n}, entonces eRe es isomorfo al anillo de matrices Mn(e1Re1) (ver [50, (17.5) y (17.6)]). Además, tenemos que
5. Si , entonces para todo s ∈ {1, 2, . . . , n} es invertible en eRe, ya que . Por otra parte, como , entonces para todo s ∈ {1, 2, . . . , n − 1}, con lo que
y, por tanto,
para todo s ∈ {1, 2, ... , n − 1}.
Observación 4.1.4. En la representación matricial de ea dada en el punto 4 del teorema anterior, se tiene que e1,n = b = eb = be es un inverso de Rus de ea con idempotente asociado e.
Definición 4.1.5. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Sea b ∈ R un inverso de Rus de a y sea e el idempotente asociado a b. Al idempotente e se le llama idempotente bloque, y diremos que ea es un elemento bloque asociado al idempotente bloque e.
Observación 4.1.6. Si un elemento a ∈ R es regular von Neumann y nilpotente de índice 2, se tiene que a es un elemento bloque asociado al idempotente bloque e = ba + ab para cualquier inverso de Rus b de a. Nótese que, en general, si a ∈ R es nilpotente de índice n, an−1 es regular von Neumann y b es un inverso de Rus de a, el idempotente bloque dado por el Teorema 4.1.3 es e = (a + b)n, ya que
por ser bakb = 0 para todo k = 0, 1, ..., n − 2.
Observación 4.1.7. El punto 5 del Teorema 4.1.3 nos ofrece una representación del elemento ea como un «bloque de Jordan» (como la forma canónica de Jordan de un elemento nilpotente en un anillo de endomorfismos de un espacio vectorial de dimensión finita). Además, tanto ea como sus potencias son regulares von Neumann, con lo que si a a es un elemento bloque nilpotente de índice n, la regularidad von Neumann de an−1 implica que cada potencia de a es regular von Neumann.
Nótese que la forma canónica de Jordan obtenido en este teorema no es exactamente la forma canónica de Jordan de un anillo de matrices sobre un cuerpo. En el ambiente clásico, si a ∈ Mm (𝔽) es un elemento nilpotente de índice n, obtenemos tantos bloques de Jordan de tamaño n como el rango de an−1. En la descomposición de Jordan dada en el apartado 4 del Teorema 4.1.3, todos los bloques de Jordan del mismo tamaño colapsan en uno.
Ejemplo 4.1.8. Sea 𝔽 un cuerpo y consideremos el anillo regular von Neumann R = M6(𝔽). La matriz
consiste en dos bloques de Jordan de tamaño 3 × 3 asociados al autovalor 0. Si denotan a las matrices unitarias de M6(𝔽), entonces A = e2,1 + e3,2 + e5,4 + e6,5. El elemento A ∈ R es nilpotente de índice 3, ya que A2 = e3,1 + e6,4. Un inverso de Rus de A es B = e1,3 + e4,6 ya que
y
Si denotamos por letras mayúsculas a los idempotentes ei,j definidos en la demostración del Teorema 4.1.3, tenemos que
y
con lo que
y, por tanto, A = EA es un elemento bloque asociado a la matriz identidad E en R.
Nótese que
y
con lo que A = E2,1 + E3,2. Luego R ≅ M3(E11RE11), con E11RE11 ≅ M2(𝔽) y
Corolario 4.1.9. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente no nulo de índice n tal que as es regular von Neumann para todo s ∈ ℕ. Entonces existe una familia de idempotentes ortogonales no nulos de R que conmutan con a y tales que uia donde, para cada i ∈ {1, 2, …, k}, uia es un elemento bloque nilpotente de índice ni, con n = n1 > n2 > … > nk, asociado al idempotente bloque ui.
Demostración. Sea a(1) := a. Por el Teorema 4.1.3 existe una familia de idempotentes ortogonales no nulos tal que, si , entonces u1a(1) = u1a = a(1)u1 = au1 es un elemento bloque nilpotente de índice n1 = n y ((1 − u1)a(1))n−1 = 0. Por lo tanto, es nilpotente de índice n2, con n = n1 > n2. Veamos que (a(2))n2−1 es regular von Neumann. Como an2−1 es regular von Neumann, entonces existe c ∈ R tal que an2−1can2−1 = an2−1 y, si multiplicamos por 1 − u1 por ambos lados obtenemos
con lo que
Por el Teorema 4.1.3, existe una familia de idempotentes ortogonales no nulos tal que, si , entonces u2a(2) = u2(1 − u1)a = a(2)u2 es un elemento bloque nilpotente de índice n2 = n y ((1 − u2)a(2))n2−1 = 0. Además, como para todo k = 1, …, n2, entonces u2 ∈ (1 − u1)R(1 − u1), con lo u1u2 = 0 = u2u1. Ahora bien, como u1u2 = u2u1 = 0, u2a(2) = a(2)u2 y a(2) = (1 − u1)a, entonces
es decir,
Luego u2a = au2.
Mediante un argumento recursivo, tenemos que existe una familia de idempotentes ortogonales no nulos de R, que conmutan con a, tales que uia es un elemento bloque nilpotente de índice ni asociado al idempotente bloque ui para todo i ∈ {1, 2,..., k}, donde n = n1 > n2 > … > nk.
Por último, uia, ya que
Ahora seguimos el procedimiento clásico para extender los resultados anteriores a elementos algebraicos en un álgebra asociativa y unitaria R sobre un cuerpo 𝔽.
Teorema 4.1.10. Sea R un álgebra asociativa y unitaria sobre un cuerpo 𝔽 y sea a un elemento algebraico de R tal que su polinomio mínimo ma(X) se descompone totalmente en 𝔽[X] como , donde λi ≠ λj si i ≠ j. Supongamos que (a − λi)ki es regular von Neumann para cada ki ≤ ni, con i = 1, ..., k. Entonces existe una familia de idempotentes ortogonales y familias de idempotentes ortogonales {us,i} ⊂ vsRvs, todos conmutando con a, tal que , donde cada us,ia – λsus,i ∈ us,iRus,i es un elemento bloque nilpotente de índice ns,i ≤ ns asociado al idempotente bloque us,i, es decir, us,iRus,i ≅ ℳns,i(Ss,i) para algún álgebra unitaria Ss,i y us,ia tiene la forma
Demostración. Para cada s = 1, 2, . . . , k, definamos . Así, tenemos que q1(X), . . . , qk(X) son coprimos. Luego, aplicando la Identidad de Bézout, existen r1(X), . . . , rk(X) ∈ 𝔽[X] tales que
Si definimos vs := rs(a)qs(a) para cada s = 1, 2, . . . , k, tenemos que es una familia de idempotentes ortogonales que conmutan con a, ya que vs ∈ 𝔽[a] para todo s ∈ {1, 2, . . . , k}. Luego vs(a−λs) ∈ vsRvs es un elemento nilpotente de R de índice ns para todo s ∈ {1, . . . , k}, por ser y
Nótese que, como para cada s = 1, 2, . . . , k, vs(a−λs) = (a−λs)vs y (a−λs)ki es regular von Neumann para todo ki ≤ ni entonces vs(a − λs)ki es regular von Neuman para todo ki ≤ ni. Luego, aplicando el corolario anterior a cada vs(a − λs) ∈ vsRvs, existe una familia de idempotentes ortogonales que conmutan con vs(a − λs) y tales que
donde cada us,ivs(a−λs) es un elemento bloque nilpotente (asociado al idempotente bloque us,i) de índice ns,i, donde ns = ns,1 > ns,2 > . . . . Para cada s = 1, 2, …, k, se tiene que vsRvs es un anillo unitario con elemento unidad vs, con lo que la familia de idempotentes puede completarse a una familia completa de idempotentes ortogonales añadiéndole el idempotente
siempre que us,ms+1 ≠ 0. De esta forma, tenemos que us,ms+1(a – λs) = 0, con lo que es una familia completa de idempotentes ortogonales que conmutan con vs(a – λs), tales que
y donde cada us,ivs(a – λs) es un elemento bloque nilpotente (asociado al idempotente bloque us,i) de índice ns,i, donde ns = ns,1 > ns,2 > … > ns,ms+1 = 1.
Ahora bien, como para cada s ∈ {1, 2, …, k}, entonces us,ivs = us,i = vsus,i para todo us,i, con lo que cada us,i(a – λs) = us,ia – λsus,i ∈ us,iRus,i es un elemento bloque nilpotente, asociado al idempotente bloque us,i, de índice ns,i, donde ns = ns,1 > ns,2 > … > ns,ms+1. Además, como cada us,i conmuta con vs(a – λs), entonces cada us,i conmuta con a, ya que
Por otra parte, como , entonces
Por último, aplicando el Teorema 4.1.3 a cada elemento us,ivs(a − λs) = us,i(a − λs) = us,i(a − λs)us,i ∈ us,i Rus,i ≅ Mns,i (Ss,i) con Ss,i un álgebra unitaria, tenemos que us,i(a − λs) puede verse como una matriz de tamaño ns,i × ns,i de la forma
con lo que us,ia puede verse como una matriz de tamaño ns,i×ns,i de la forma
Corolario 4.1.11. Todo elemento algebraico en un álgebra unitaria regular von Neumann sobre un cuerpo algebraicamente cerrado admite una forma canónica de Jordan.
Observación 4.1.12. En general, ni el inverso de Rus ni el idempotente asociado en el Teorema 4.1.3 son únicos: si , el elemento es un inverso de Rus de a y a es un elemento de bloque con idempotente bloque asociado
El elemento b′ = e2,1 + e3,1 ∈ R es otro inverso de Rus de a y a es un elemento de bloque con idempotente de bloque asociado
Sin embargo, veremos que todos los idempotentes bloque coinciden cuando son centrales.
El siguiente resultado es (c) ⇒ (a) de [39, Theorem 7.2].
Lema 4.1.13. Sea R un anillo no necesariamente unitario y sea un conjunto de idempotentes ortogonales no nulos, donde uno de ellos puede ser de la forma 1 − e ∈ R1, con e un idempotente de la unitilización de R. Supongamos que existe , con . Entonces R tiene un elemento nilpotente de índice n.
Demostración. Consideremos el elemento . Entonces a es nilpotente de índice n, ya que an = 0.
Definición 4.1.14. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Diremos que a es un bloque maximal si uno de los idempotentes bloque asociados a a está en el centro de R, es decir, si existe un inverso de Rus de a tal que el idempotente construido en el Teorema 4.1.3 es central.
Proposición 4.1.15. Sea R un anillo y sea a ∈ R un bloque maximal. Entonces todos los idempotentes bloque centrales asociados a a coinciden.
Demostración. Sea a ∈ R un elemento nilpotente de índice n tal que an−1 es regular von Neumann y supongamos que e es un idempotente bloque asociado a a tal que e ∈ Z(R). Por el apartado 4 del Teorema 4.1.3, tenemos que . Denotemos por ⟨an−1⟩ al ideal generado por an−1. Veamos que ⟨an−1⟩ = eR. Por una parte, como , entonces
con lo que
para todo i, j ∈ {1, ..., n} y, por tanto, e ∈ ⟨an−1⟩. Luego . Por otra parte, como es un ideal de R por ser , entonces . Por lo tanto, es un anillo unitario, siendo e su elemento unidad.
Supongamos ahora que e′ ∈ Z(R) es otro elemento bloque asociado a a. Repitiendo el mismo razonamiento, tenemos que ⟨an−1⟩ = e′R, siendo e′ el elemento unidad de ⟨an−1⟩, con lo que e′ = e.
Corolario 4.1.16. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de R de índice maximal n tal que an−1 es regular von Neumann. Entonces a es un bloque maximal y sus idempotentes bloque asociados coinciden.
Demostración. Como a es nilpotente de índice n y an−1 es regular von Neumann entonces, por el Teorema 4.1.3, existen n idempotentes ortogonales no nulos tales que es un idempotente bloque asociado a a. Veamos que eR(1 − e) = 0 = (1 − e)Re.
Por reducción al absurdo, supongamos que eR(1 − e) ≠ 0. Como eR(1 − e) ≠ 0, existe k ∈ {1, . . . , n} y x ∈ R tales que , con lo que
Por el lema 4.1.13, existe un elemento nilpotente de índice n + 1, lo cual es una contradicción, ya que R no tiene elementos nilpotentes de índice mayor que n. Luego eR(1 − e) = 0.
De forma análoga, se tiene que (1 − e)Re = 0 y, por tanto, e ∈ Z(R), con lo que todos los idempotentes bloque asociados a a son centrales. Aplicando ahora la Proposición 4.1.15, obtenemos que todos los idempotentes bloques asociados a a coinciden.
Varios autores han estudiado los anillos semiprimos con índice de nilpotencia acotado como, por ejemplo, los trabajos de Beidar y Mikhalev [15] y Hannah [40]. Mencionamos también el resultado de Armendáriz [4, Theorem 1], donde demostró que un anillo semiprimo de índice máximo n es un producto subdirecto de anillos primos de índices menores o iguales que n.
En el siguiente resultado describimos la estructura de los anillos con un elemento nilpotente a de índice máximo n y tal que an-1 es regular von Neumann. Con algunas condiciones adicionales sobre la regularidad del anillo, damos descripciones más precisas sobre los coeficientes de los anillos de matrices involucrados. Algunos de los apartados de este teorema ya han aparecido en la literatura (por ejemplo, el segundo punto es [39, Lemma 7.17] y el quinto punto es [39, Theorem 7.9]).
Teorema 4.1.17. Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de índice maximal n tal que an−1 es regular von Neumann. Entonces
1. Cualquier inverso de Rus de a da lugar al mismo idempotente (central) e y R = eRe ⊕ (1 − e)R(1 − e). Además, , donde S es un anillo unitario sin elementos nilpotentes no nulos.
2. Si R es regular von Neumann, , donde S es regular abeliano.
3. Si R es indescomponible, , donde S es un anillo unitario sin elementos nilpotentes no nulos.
4. Si R es primo, , donde S es dominio unitario.
5. Si R es indescomponible y regular von Neumann, , donde Δ es un anillo de división.
En cualquer caso, si R es indescomponible, e = 1 y a es un elemento bloque.
Demostración. Como a es nilpotente de índice n y an−1 es regular von Neumann entonces, por el Teorema 4.1.3, existen n idempotentes ortogonales no nulos tales que y .
1. Por el Corolario 4.1.16, solo existe un idempotente bloque (central) asociado a a y R = eRe ⊕ (1 − e)R(1 − e). Supongamos que b ∈ e1Re1 es un elemento nilpotente no nulo de índice m. Veamos que es nilpotente de índice n + 1. En primer lugar, nótese que como b ∈ e1Re1 ⊂ R y el índice de nilpotencia maximal en R es n, entonces m ≤ n. Ahora bien, dado l ∈ ℕ, tenemos que
ya que b = e1,1be1,1 ∈ e1Re1. En particular, tenemos que
con lo que
por ser b = be1,1 = be1,nen,1 ≠ 0. Por lo tanto, es un elemento nilpotente de índice n + 1 > n, lo cual es una contradicción. Luego e1Re1 no tiene elementos nilpotentes no nulos.
2. Si R es regular von Neumann, entonces S = e1Re1 es regular von Neumann. Como S no tiene elementos nilpotentes no nulos y es regular von Neumann, entonces S es regular abeliano ([39, Theorem 3.2]).
3. Si R es indescomponible entonces e = 1, ya que ean−1 = an−1 = 0, por ser a nilpotente de índice n. Luego, por el apartado 1, tenemos que y S = e1Re1 es un anillo unitario sin elementos nilpotentes no nulos.
4. Si R es primo, entonces R es indescomponible y, por tanto, e = 1 y . Como R es primo, entonces S = e1Re1 es también primo. Como S es un anillo primo y no tiene elementos nilpotentes no nulos, entonces S es un dominio.
5. Como R es indescomponible y regular von Neumann, entonces , donde S es regular abeliano. Veamos que S es un anillo de división. Sea x ∈ S, con x ≠ 0. Como S es regular von Neumann, existe entonces y ∈ S tal que xyx = x y, por tanto, xy es un idempotente (central) de S distinto de cero. Luego es un idempotente central no nulo de R. Ahora bien, como es indescomponible y xy ≠ 0, entonces , con lo que xy = 1. Por lo tanto, S es un anillo de división.
A modo de resumen, los principales resultados de este trabajo son los siguientes:
1. El Corolario 3.1.4 ([36]), que nos indica bajo qué condiciones un álgebra de Jordan La, asociada a un elemento ad-nilpotente a de índice menor o igual que 3 en un álgebra de Lie L, es especial. Concretamente:
Sea L un álgebra de Lie fuertemente prima sobre un anillo de escalares ϕ, , y sea a ∈ L un elemento Jordan. Si KerLa no es subálgebra de L, entonces La es un álgebra de Jordan fuertemente prima y especial.
2. El Corolario 3.2.6 ([36]), con el que obtenemos la especialidad del subcociente asociado a un ideal interno abeliano B de un álgebra de Lie L:
Sea L un álgebra de Lie fuertemente prima sobre un anillo de escalares ϕ. Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB. Supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B. Si KerLB no es subálgebra de L, entonces el subcociente (B, L/KerLB) es un par de Jordan especial fuertemente primo.
3. El apartado 4 del Teorema 4.1.3 ([38]) que nos permite caracterizar un elemento ea ∈ R como un bloque de Jordan de tamaño n × n, donde a es un elemento nilpotente de R de índice n, con an−1 regular von Neumann, y e es un idempotente de R que se construye a partir de a:
Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Sea b ∈ R un inverso de Rus de a. Entonces existen n idempotentes ortogonales no nulos en R (que dependen de b) tales que, si , entonces eRe ≌ Mn(e1Re1) y, si denotan a las matrices unidades del anillo de matrices eRe, entonces .
Gracias a este resultado y al hecho que se recoge en el punto 3 del Teorema 4.1.3, que nos indica que (1 − e)a es nilpotente de índice menor que n, tenemos el Corolario 4.1.9 ([38]) que nos descompone un elemento nilpotente a en un anillo arbitario R como suma de elementos bloque nilpotentes siempre que todas las potencias del elemento a sean regular von Neumann:
Sea R un anillo y sea a ∈ R un elemento nilpotente no nulo de índice n tal que as es regular von Neumann para todo s ∈ ℕ. Entonces existe una familia de idempotentes ortogonales no nulos de R que conmutan con a y tales que uia donde, para cada i ∈ {1, 2,…, k}, uia es un elemento bloque nilpotente de índice ni, con n = n1 > n2 > … > nk, asociado al idempotente bloque ui.
En otras palabras, este resultado nos aporta una forma canónica de Jordan del elemento nilpotente a.
La metodología aplicada para lograr los resultados citados anteriormente podrían resumirse de la siguiente forma:
1. Para el estudio de la especialidad del álgebra de Jordan La, la clave está en utilizar el álgebra 5-graduada
que aparece gracias a la filtración principal definida por a,
donde 𝒢−2 = (a)L = [a, [a, L]] + Φa. 𝒢1 = KerLa y 𝒢2 = L, dada en [35].
Gracias a esta filtración, obtenemos que el par de aplicaciones
definidas por Ψ1(b) = adb para todo para todo , es un homomorfismo de pares de Jordan entre y el par de Jordan especial
Por último, gracias a un resultado técnico, obtenemos que el núcleo de este homomorfismo entre pares de Jordan es cero si L es un álgebra de Lie fuertemente prima tal que KerLa no sea un subálgebra de L.
2. Dado un ideal interno abeliano B, para determinar las condiciones bajo las cuales el subcociente (B, KerLB) es especial se sigue el mismo procedimiento, sin embargo, en este caso no disponemos de una filtración adecuada. Por ello, el primer paso es construir una filtración asociada a B, es decir, una cadena de conjuntos
donde para todo m > n y
De esta forma, se obtiene que el álgebra de Lie ℤ-graduada inducida
tiene como par de Jordan asociado al subcociente
y, por tanto, el par de aplicaciones
definidas por Ψσ(n−1)(x)(y) = adxy para todo y para todo , es un homomorfismo de pares de Jordan entre y el par de Jordan especial
Para poder determinar esta ℤ-filtración acotada asociada a un ideal interno abeliano B necesitamos una condición aparentemente fuerte: que exista n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]n ⊂ B. Esta restricción termina resultando menos restrictiva de lo que parece, ya que se verifica en las álgebras de Lie mas usuales.
Por último, gracias a algunos resultados técnicos, obtenemos que el núcleo del homomorfismo entre pares de Jordan (Ψn−1, Ψ1−n) es nulo si L es un álgebra de Lie fuertemente prima y KerLB no es un subálgebra de L.
3. Para determinar la forma canónica de Jordan del elemento nilpotente a dada en el Corolario 4.1.9, debemos construir un idempotente e de R, que conmuta con a, y tal que eRe ≌ Mn(S), donde S es un anillo unitario. Gracias a este idempotente, podemos expresar el elemento a como a = ea + (1 − e)a, siendo ea ∈ eRe ≌ Mn(S) un bloque de Jordan de tamaño n × n.
Para ello, hacemos uso de un inverso de Rus de a, esto es, un elemento b ∈ R tal que an−1ban−1 = an−1, ban−1b = b y bakb = 0 para todo k ∈ {0, 1, …, n − 2}. Dado un inverso de Rus b del elemento a, podemos construir una familia de idempotentes de manera que .
Además, se tiene que el anillo unitario S que aparecía como anillo de escalares bajo el isomorfismo eRe ≌ Mn(S) es S = e1Re1.
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