Parte II

Cuerpo de la Tesis

Organización y estructura

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]nB 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 aR es un elemento nilpotente de índice n y an−1 es regular von Neumann, podemos descomponer a = ea + (1 − e)a, siendo eaeReMn(S) 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 eR 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 aR 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.

Capítulo 1

Preliminares

1.1. Nociones básicas sobre álgebras de Lie y sistemas de Jordan

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 12, 13ϕ. 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 × LL anticonmutativo y verificando la identidad de Jacobi, es decir,

[x,[y,z]]+[y,[z,x]]+[z,[x,y]]=0

para todo x, y, zL.

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] = xyyx para todo x, yR es un álgebra de Lie que denotaremos por R(−). Si R tiene involución *, podemos definir el conjunto de los elementos antisimétricos de R,

Skew(R,)={xR:x=x}.

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 xL.

▪ Se define la aplicación adjunta determinada por x, y la denotaremos por adx : LL, a la aplicación lineal definida por adx(y) = [x, y] para todo yL.

▪ Diremos que x es ad-nilpotente (en L) si existe n ∈ ℕ tal que adxn(L)=0. En ese caso, se dirá que n es el índice de ad-nilpotencia de x (sobre L) si adxn1(L)0.

▪ A un elemento ad-nilpotente aL 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 KerLa={xL:ada2(x)=0}.

▪ Diremos que xL 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, yL 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

KerLB={xB:[B,[B,x]]=0}.

Observación 1.1.7. Todo elemento bB es un elemento Jordan de L, ya que

adb3(L)=[b,[b,[b,L]]][B,B]=0.

Ejemplo 1.1.8. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ y sea aL 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]

KerLa=KerL(a)L=KerL[a]L.

Definición 1.1.9. Sea ϕ un anillo de escalares. Un álgebra de Jordan es un ϕ-módulo J junto con dos aplicaciones cuadráticas

U:JEndϕ(J) y ()2:JJ

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. Ux2=Ux2,

6. UUx(y) = UxUyUx

para todo x, yJ, donde x o y = (x + y)2x2y2 y Ux,z (y) = (Ux+zUxUz)(y) para todo x, y, zJ [51, 1.6].

Observación 1.1.10. Como vamos a trabajar con anillos de escalares ϕ tales que 12ϕ, 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. xy = yx, y

2. x2 • (yx) = (x2y) • x

para todo x, yJ, donde x2 = xx.

Además, para cada xJ, se define la aplicación Ux : JJ dada por Uxy = 2x • (xy) − x2y para todo yJ.

Ejemplo 1.1.11. Sea R un álgebra asociativa sobre un anillo de escalares ϕ, con 12ϕ. Entonces el ϕ-módulo R dotado con el producto xy=12(xy+yx) para todo x, yR es un álgebra de Jordan que denotaremos por R(+). Si R tiene involución *, podemos definir el conjunto de los elementos simétricos de R,

H(R,)={xR:x=x}.

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 12ϕ.

▪ Un ϕ-submódulo I de J se dirá que es un ideal de J si IJI.

▪ Sean I, K dos ideales de J. Diremos que J es prima si IK = 0 implica I = 0 o K = 0.

▪ Un elemento xJ 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, yJ 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 12,13ϕ y sea aL un elemento Jordan. Entonces L dotado con el producto definido por xy=12[[x,a],y], para todo x, yL, 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

Ux¯y¯=18adx2ada2b¯,

para todo x, yL, donde x¯ 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

Q+:V+Homϕ(V,V+)

y

Q:VHomϕ(V+,V)

verificando las siguientes identidades en todas las extensiones por escalares de V:

1. Dσ(x,y)Qxσ=QxσDσ(y,x),

2. Dσ(Qxσ(y),y)=Dσ(x,Qyσ(x)),

3. QQxσ(y)σ=QxσQyσQxσ,

para todo xVσ y para todo yV−σ, con σ = ±, y donde

Dσ:Vσ×VσEndϕ(Vσ)

es la aplicación bilineal dada por

Dσ(x,y)(z)=Qx+zσ(y)Qxσ(y)Qzσ(y)

para todo x, zVσ y para todo yV−σ.

Observación 1.1.17. Como vamos a trabajar con anillos de escalares ϕ tales que 12,13ϕ, 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

{,,}:V+×V×V+V+,

{,,}:V×V+×VV

tales que {x, y, z} = {z, y, x} y

{x,y,{u,v,z}}{u,v,{x,y,z}}={{x,y,u},v,z}{u,{y,x,v},z}

para todo x, z, uVσ y para todo y, vV−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

{,,}:Vσ×Vσ×VσVσ,

con σ = ±.

Ejemplo 1.1.18. [30, Lemma 3.2 (a)] Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13ϕ, y sea BL un ideal interno abeliano de L. Asociado a B podemos considerar el subcociente (B, L/KerLB), que es un par de Jordan con productos

{b1,x¯,b2}=[[b1,x],b2] y {x¯,b1,y¯}=[[x,b],y]¯

para todo b1, b2B y para todo x¯,y¯L/KerLB, donde x¯ = x + KerLB, y¯ = y + KerLB.

En particular, si aL 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 12,13ϕ, y sea aV−σ, σ = ±. El ϕ-módulo Vσ tiene estructura de álgebra de Jordan con el producto dado por xy=12{x,a,y} para todo x, yVσ. 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 12,13ϕ, y aL 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 x¯y¯=12[[x,a],y]¯ para todo x, yL [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

Aσ×Aσ×AσAσ(x,y,z)xyz,

tales que

uv(xyz)=u(vxy)z=(uvx)yz

para todo x, z, uAσ y para todo y, vA−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, zR 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

V=(Homϕ(X,Y),Homϕ(Y,X))

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 Qxσ(y)=xyx para todo xAσ y para todo yA−σ, donde σ = ±, es un par de Jordan que denotaremos por V = (A+, A)(+).

Si 12, 13ϕ, en términos del producto triple tenemos que V = (A+, A)(+) es un par de Jordan con productos

{x,y,z}=xyz+zyx y {y,x,t}=yxt+txy

para todo x, zAσ y todo y, tA−σ, para σ = ±.

Definición 1.1.24. Sea V = (V+, V) un par de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ, con 12, 13ϕ.

▪ 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, Sσ, Sσ} ⊂ Sσ, para σ = ±.

▪ Un ideal de V es un par de ϕ-módulos I = (I+, I), con IσVσ, tales que

{Iσ,Vσ,Vσ}+{Vσ,Iσ,Vσ}Iσ,

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

AnnV(I)=(AnnV(I)+,AnnV(I)),

donde AnnV(I)σ es el conjunto de todos los elementos xVσ tales que

{x,Iσ,Vσ}={Iσ,Vσ,x}=0,{Iσ,x,Vσ}=0,

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 : VσWσ, para σ = ±, tales que

φσ({x,y,z})={φσ(x),φσ(y),φσ(z)}

para todo x, zVσ y para todo yV−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 : VW 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 xVσ 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, yVσ tales que QxσQVσσQyσ=0, se tiene que x = 0 o y = 0 = ±).

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

V=(Homϕ(X,Y),Homϕ(Y,X))(+),

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

L=LnL(n1)L0Ln1Ln

para algún entero positivo n ∈ ℤ. Si Ln + 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 12,13ϕ, entonces V = (Ln, Ln) es un par de Jordan con productos

{x,y,z}=[[x,y],z] y {y,x,t}=[[y,x],t]

para todo x, zLn y para todo y, tLn [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 {Fi}i es una cadena de submódulos de L

F2F1F0F1F2

tal que [Fi,Fj]Fi+j para todo i, j ∈ ℤ. Diremos que esta filtración es acotada si existen n, m ∈ ℤ, con n < m, tales que Fi=0 para todo in y Fj=L para todo jm.

Observación 1.1.31. Si {Fi}i es una ℤ-filtración de un álgebra de Lie L sobre ϕ, podemos considerar el ϕ-módulo

L^=Fi1/Fi2Li1Fi/Fi1LiFi+1/FiLi+1

con el producto [x¯,y¯]=[x,y]¯Fi+j/Fi+j1 para todo x¯=x+Fi1Fi/Fi1 y para todo y¯=y+Fj1Fj/Fj1. De esta forma, tenemos que tiene estructura de álgebra de Lie ℤ-graduada sobre ϕ, y se le llama álgebra de Lie ℤ-graduada inducida por la ℤ-filtración {Fi}i.

Ejemplo 1.1.32. [35, Theorem 1.2] Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13ϕ. Sea aL un elemento Jordan y consideremos los conjuntos

Gi=0,i3,G2=[a,[a,L]]+ϕa,G1=[a,KerLa]+ϕa,G0={xL:[x,a][a,[a,L]]},G1=KerLa,Gj=L,j2.

Así, tenemos que Gii es una ℤ-filtración acotada de L. A esta filtración se le denomina filtración principal de L definida por a.

1.2. Centroide extendido y clausura central

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 aR. Análogamente, R es primo si, y solo si, aRb ≠ 0 para todo a, bR, 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 yI.

▪ 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 αΔIα=0 y, 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 αΔIα=0 y, 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 IJ ≠ 0 para todo ideal J no nulo de R.

▪ Si R tiene involucion * e I es un *-ideal de R tal que IJ ≠ 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, Jɛ, entonces IJ, I Jɛ. Consideremos el conjunto

(f,I):Iɛ y f:IRRR,

donde por f : IRRR 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 KIJ tal que f(x) = g(x) para todo xK. 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

[f,I]+[g,J]=[f+g,IJ],[f,I][g,J]=fg,(IJ)2

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 Qmr(R).

Observación 1.2.7. Nótese que si R es un anillo semiprimo, entonces la aplicación φ:RQmr(R), definida por φ(r) = [λr, R] para todo rR, donde λr : RR viene dado por λr (x) = rx para todo xR, es un monomorfismo de anillos, es decir, R puede considerarse subanillo de su anillo de cocientes de Martindale por la derecha. Además, dado cualquier 0q=[f,I]Qmr(R), se tiene que 0 ≠ qIR, con lo que todo subanillo S de Qmr(R) 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 Qmr(R) su anillo de cocientes de Martindale por la derecha. Se define el anillo simétrico de cocientes de Martindale de R como el conjunto

Qms(R)=qQmr(R): un ideal esencial J de R tal que qJ+JqR.

Observación 1.2.9. Como R es un anillo semiprimo, entonces Qms(R) es un anillo semiprimo, ya que Qms(R) es un subanillo de Qmr(R) 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 Qms(R) de la siguiente manera: sea q=[f,I]Qms(R), donde I en un *-ideal esencial de R y f : IRRR es un homomorfismo de R-módulos por la derecha. Entonces q* = [g, I], donde g(y) := (f (y*))* para todo yI ([8, p. 858-859]).

Definición 1.2.11. Sea R un anillo semiprimo y sea Qms(R) su anillo simétrico de cocientes de Martindale. Se define el centroide extendido de R, y se denota por C(R), como el centro de Qms(R).

Definición 1.2.12. Sea R un anillo y sea aR. Se dirá que a es regular von Neumann si existe bR 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 = 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 R^. Así, como R^ es un subanillo de Qms(R) que contiene a R, entonces R^ es semiprimo.

Por otra parte, cuando R tiene involución *, podemos extender esta involución a R^, ya que * puede extenderse a Qms(R) y posteriormente restringirse de Qms(R) a C(R)=Z(Qms(R)). 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,

R=H(R,)Skew(R,)=λ2H(R,)Skew(R,)λSkew(R,)Skew(R,)R

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 II* ≠ 0, por lo que podemos definir un elemento antisimétrico no nulo λ : II* → R en C(R) dado por λ(x + y) = xy para todo xI y todo yI * (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 Qmr(R), y el álgebra simétrica de cocientes de Martindale de R, Qms(R). El centroide extendido de R es C(R)=Z(Qms(R)) y la clausura central de R es R^=C(R)+C(R)R. Diremos que el álgebra R es centralmente cerrada si R coincide con R^ (ver [25, p. 15], [32] y [55]).

1.3. Algunos conceptos en anillos

Trataremos con anillos R no necesariamente unitarios R. Si R no tiene unidad, por expresiones del tipo (1 − x)y, para x, yR, entenderemos yxyR. 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 bR 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 aR. Si R tiene unidad, diremos que a es unit-regular si existe bR invertible tal que aba = a.

Definición 1.3.2. Sea R un anillo y sea aR.

▪ 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, fR.

▪ 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 = IJ 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 eZ(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.

Capítulo 2

Filtración asociada a un ideal interno abeliano

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]nB, 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.

2.1. La condición [B, KerLB]nB

Veamos en primer lugar que la condición [B, KerLB]nB 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 12, 13ϕ, y sea B un ideal interno abeliano de R. Entonces se verifica:

1. Para todo bB, existe un único λbC(R) tal que (b – λb)2 = 0.

2. B′ := {b – λb : bB} es un ideal interno abeliano de R(−) tal que B′ B′ = 0 y B′(KerR(−)B)B′ = 0.

3. B* := B+BRBes 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 bB, existe un único λbC(R) tal que (b − λb)2 = 0.

2. Para cualquier bB, consideramos b′ = b − λb, donde λb es el único elemento de C(R) dado en el punto anterior. Veamos primero que BB′ = 0. Para todo b, cB y todo xR, tenemos que

[b,c]=[bλb,cλc]=[b,c][b,λc][λb,c]+[λb,λc]=[b,c],

con lo que

0=[b,c]=[b,c]=bccb

y

0=[c,[b,[b,x]]]=[c,[b,[b,x]]]=2[c,bxb]=2(cbxbbxbc).

Luego, por [19, Corollary 2.14], existe λ1C(R) tal que c′b′ = λ1 b′. Análogamente, existe λ2C(R) tal que b′c′ = λ2c′. Por lo tanto,

0=λ1bb=bλ1b=bcb=λ2cb

y, como C(R) es un cuerpo. entonces b′c′ = c′b′ = 0.

B′ es un submódulo de R, ya que para todo b, cB, se tiene que

(b+cλbλc)2=(b+c)2=b2+bc+cb+c2=b2+2bc+c2=0,

con lo que b′ + c′ = (b + c)′ ∈ B′ . Veamos entonces que [B′, [B′, R]] ⊂ B′. Por una parte, tenemos que

b,c,x=bλb,cλc,x=[b,[c,x]]λb,[c,x]b,λc,x+λb,λc,x=[b,[c,x]]B

para todo b, cB y para todo xR. Además, como

[b,[c,x]]=bcxbxccxb+xbc

y BB′ = 0, entonces [b′, [c′,x]]2 = 0, con lo que [b′, [c′, x]] ∈ B′. Por último, si z ∈ KerR(−) B,

0=[b,[c,z]]=[b,[c,z]]=bzcczb,

con lo que

bzc=czb

y, por tanto,

0=12[c,[[b,[b,x]],z]]=12[c,[[b,[b,x]],z]]=[c,[bxb,z]]=bxbzcczbxb=bxczb+bzcxb.

Aplicando de nuevo [19, Corollary 2.14], existe μ1C(R) tal que bzc′ = μ1b′. Intercambiando los papeles de b′ y c′ en el argumento anterior, obtenemos que existe μ2C(R) tal que czb′ = μ2c′, con lo que μ1b=bzc=czb=μ2c.
Si b′ y c′ son linealmente independientes sobre C(R), entonces bzc′ = 0.
Si por el contrario existe αC(R) tal que c′ = αb′, entonces

0=α[b,[b,z]]=α[b,[b,z]]=α(2bzb)=2(αb)zb=2czb=2bzc,

obteniendo de nuevo que bzc′ = 0, con lo que B′(KerR(−)B)B′ = 0.

3. Para todo b, cB, b1, b2, c1, c2. ∈ B′ y x, y, uR tenemos que

[b+b1xb2,[c+c1yc2,u]]=[b+b1xb2,[c+c1yc2,u]]=(c+c1yc2)u(b+b1xb2)(b+b1xb2)u(c+c1yc2)BRB,

lo que implica que B* es un ideal interno abeliano de R.

Ahora, si z ∈ KerR(−)B, para todo b, cB, b1, b2, c1, c2B′, x, yR, tenemos que

b+b1xb2,c+c1yc2,z=b+b1xb2,c+c1yc2,z=0

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

B,KerR()B,B,KerR()B=B,KerR()B,B,KerR()B.

Sean b, cB* y u, v ∈ KerR(−)B. Por 1, para todo bB* existe λbC(R) tal que b−λbB′+BRB′. Para todo bB*, denotaremos por b′ al elemento b − λbB′ + BRB′. Entonces

a) Como BB′ = 0 y B′(KerR(−)B)B′ = 0, tenemos que

[[b,u],[c,u]]=b,u,c,u=bucubu2cubcu+ubuccubu+cu2b+ucbuucub=b(u2)c+cu2bB.

b) 2[[b, u], [b, v]] = [b, [b, [u, v]]] ∈ B*.

c) Como

2([[b,u],[c,v]]+[[c,u],[b,v]])=[b+c,[b+c,[u,v]]]2[b,[b,[u,v]]]2[c,[c,[u,v]]]B

por b), entonces

[[b,u],[c,v]][[b,v],[c,u]]=[[b,u],[c,v]]+[[c,u],[b,v]]B.

d) Usando a), tenemos que

[[b,u],[c,v]]+[[b,v],[c,u]]=[[b,u+v],[c,u+v]][[b,u],[c,u]][[b,v],[c,v]]B,

e) Como

[[b,u],[c,v]][[b,v],[c,u]]B

y

[[b,u],[c,v]]+[[b,v],[c,u]]B,

entonces [[b, u], [c, v]] ∈ B*, es decir,

B,KerR()B,B,KerR()BB.

Luego

B,KerR()B,B,KerR()B,B,KerR()BB,KerR()B,B=0

y, por tanto

B,KerR()B,B,KerR()B,B,KerR()BB,KerR()B,B=0

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 12,13ϕ, [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 R^i, y extendamos Bi a un ideal interno abeliano B^i=C(Ri)Bi de R^i. Así, tenemos que B^i,KerR^()B^i es nilpotente del índice menor o igual que 3 para cada i y, por tanto, B,KerR()B es nilpotente de índice menor o igual que 3. Luego, se tiene entonces que

B,KerR()B,B,KerR()B,B,KerR()B=0.

Corolario 2.1.3. Sea R un álgebra asociativa semiprima sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13ϕ, 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 12,13,15ϕ. 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 bB y

o bien existe bB tal que b3 = 0, pero b2 ≠ 0. En este caso n = 2 y L admite una 3-graduación L = L−1L0L1, con B = L−1 y KerLB = L−1L0,

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 λC(R) tal que R = Skew(R, *) ⊕ λSkew(R, *). En este caso se tiene que B^=B+λB es un ideal interno abeliano de R()yKerR()B^=KerLB+λKerLB. Por el teorema anterior, tenemos que B^,KerR()B^ 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 bB.

▪ Si existe bB 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 dH(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

L1=κ((1e)Le)L0=κ(eRe)+(1ee)L(1ee)yL1=κ(eL(1e)),

donde κ(x) = xx* para todo xR. Por [18, Proposition 3.6(4)] bκ((1 − e)Le) = L−1. Por otra parte, el ideal interno abeliano contiene a b, ya que

b,[b,(bd+db)]=[b,b2d+bdbbdbdb2]=(b3dbdb2b2db+db3)=bdb2+b2db=b

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,

B=[b,[b,L]][b,KerLB]=0.

Luego KerLB = L−1L0 y [B, KerLB] es nilpotente con índice n = 2.

▪ Si b2 = 0 para todo bB entonces, para todo b1, b2B,

0=(b1+b2)2=b12+b22+b1b2+b2b1=b12+b22+2b1b2=2b1b2

ya que 0 = [b1, b2] = b1b2b2b1. Luego

B2=0.                  (1)

Por otra parte, para todo z ∈ KerLB,

0=[b1,[b2,z]]=b1zb2b2zb1,

es decir,

b1zb2=b2zb1.                  (2)

En particular,

bzb=0                  (3)

para todo bB y para todo z ∈ KerLB.

Veamos ahora que (b1z1b2z2b3)R(b1z1b2z2b3) = 0 para todo b1, b2, b3B y todo z1, z2 ∈ KerLB. Para todo xR tenemos que

(b1z1b2z2b3)x(b1z1b2z2b3)=b3z1b1z2b2xb1z1b2z2b3=

b3z1b1x*b2z2b1z1b2z2b3+b3z1b1(z2b2xx*b2z2)b1z1b2z2b3=()012b3z1[b1,[b1,z2b2xx*b2z2]]z1b2z2b3=12b3z1[b1,[b1,z2b2x(z2b2x)*]]z1b2z2b3= (**) 0,

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 xR y R es prima, entonces

b1z1b2z2b3=0.                  (4)

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, b4B y todo z1, z2, z3, z4 ∈ KerLB se tiene que

a:=b1,z1,b2,z2,b3,z3,b4,z4

es un divisor absoluto de cero de L, es decir, [a, [a, L]] = 0.

Para todo uL se tiene que [a, [a, u]] es una suma de monomios de la forma

[Bi,Zi][Bj,Zj][Bk,Zk][Bl,Zl][Bm,Zm][Bn,Zn][Bo,Zo][Bp,Zp](u),                  (5)

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 xR. Como [Bp, Zp](u) = z′ ∈ KerLB, podemos reducir la expresión de cada monomio en (5) por monomios de la forma

Bi,ZiBj,ZjBk,ZkBl,ZlBm,ZmBn,ZnBo,Zo(z).                  (6)

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

zj1bi1zj2bi2bi7zj8.

Este monomio contiene una subcadena de la forma bi1zi1bi2zi2bi3 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:

bi1zj1bikzjkzjk+1bik+1bi7zj8(0zj1bikzjkzjk+1bik+1zj8bi7)

Esto significa que en ambos lados de los dos elementos zjkzjk+1 de KerLB aparecen subcadenas de la forma bi1zi1bi2zi2bi3, 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:

bi1zj1bikzjkzjk+1zjk+2bik+1zj8bi7

De nuevo, en ambos lados de los tres elementos de KerLB que están juntos, aparecen subcadenas de la forma bi1zi1bi2zi2bi3, por lo que el monomio es cero por (4).

▪ Dos pares de elementos de KerLB aparecen juntos:

bi1zj1bikzjkzjk+1bik+1birzjrzjr+1bir+1zj8bi7

Entonces, una de las subcadenas de antes, entre o después de los dos pares de elementos de KerLB es de la forma bi1zi1bi2zi2bi3, 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 uL 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 B^:=B+BRB, entonces B^ es un ideal interno abeliano de R(−), ya que

[B^,[B^,R]]=[B+BRB,[B+BRB,R]]=[B+BRB,BRRB+BRBRRBRB]BRBB^.

Además, como B(KerLB)B = 0, entonces

B^,B^,KerLB=B+BRB,B+BRB,KerLB=B+BRB,B(KerLB)(KerLB)B+BRB(KerLB)(KerLB)BRB=0,

con lo que KerLB=KerR()B^L. Aplicando el punto 4 de la Proposicion 2.1.1, B^,KerR()B^ 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 R^i la clausura central de cada Ri y sea B^i=H(C(Ri),)Bi el ideal interno abeliano generado por Bi en L^i=Skew(R^i,). Por el teorema anterior, B^i,KerL^iB^i 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

B,KerLB,B,KerLB,B,KerLB,B,KerLB=0.

Corolario 2.1.6. Sea R un álgebra asociativa semiprima con involución * sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13,15ϕ. 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 12,13,15ϕ. 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 = Ln ⊕ … ⊕ 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]nB.

Observación 2.1.8. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13ϕ. Para cualquier ideal interno abeliano B de L, se tiene que [B, KerLB] es localmente nilpotente. De hecho, para todo b0, . . . , bi, . . . , bj, . . . , bsB y todo k0, . . . , ks ∈ KerLB, con 1 < i < j y bi = bj, tenemos que

adbi,kiadbi,kjadbs,ksb0,k0bi,KerLbi,bi,KerLbibi,bi,LB,

aplicando la filtración principal de L definida por bi [35], ya que [B, KerLB] ⊂ 𝒢0 y [bi, KerLB] ⊂ 𝒢−1. Por lo tanto,

adb1,k1adbi,kiadbi,kjadbs,ks(b0,k0)=0.

Toda subálgebra de [B, KerLB] finitamente generada está contenida en una subálgebra generada por algún conjunto finito de la forma

b1,k1,,bs,ks.

En cada una de estas subálgebras finitamente generadas, todo producto

adbi1,ki1adbit,kit(bi0,ki0)

para bi0,,bit{b1,,bs} y ki0,,kit{k1,,ks}, con ts+2, 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]nB 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 12,13,15ϕ, y sea B un ideal interno abeliano de L. Entonces existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]nB.

2.2. Filtración asociada a un ideal interno abeliano

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]nB 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 12,13ϕ. Sea B un ideal interno abeliano de L y supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]nB. Entonces la cadena, de submódulos de L

FnFn+1F0Fn1Fn

donde Fm:={0} y Fm:=L para todo m > n y

Fn:=B  Fk:=B,KerLBk+B, para k=1,,n1  F0:={xL:[x,B]B}  Fs:=adB,KerLBns1(KerLB)+F0, para s=1,,n1  Fn:=L

es una ℤ-filtración acotada de L. Además, el álgebra de Lie ℤ-graduada inducida

L^=FnL^nFn/Fn1L^n

tiene como par de Jordan asociado (L^n,L^n) al subcociente (B, L/KerLB).

Demostración. Denotemos por K := KerLB. Veamos primero que FiFi+1 para todo i ∈ ℤ. Claramente ad[B,K][B, K] ⊂ [B, [K, [B, K] + ⊂ [B, K], luego FkFk+1 para todo k = 2, . . . , n − 1. Además, F1=[B,K]+BF0, ya que [B, [B, K]] + [B, B] = 0 ∈ B. La contención F0F1 la tenemos por definición de F1. Como [[B, K],K] ⊂ K, entonces ad[B,K]ns1(K)ad[B,K]ns(K) para todo s = 1, . . . , n − 2. con lo que FsFs+1 para todo s = 1, ... , n − 2. Por último, Fn1Fn=L y Fn=BFn+1=[B,K]n1+B.

Usando la identidad de Jacobi tenemos que, para todo k ∈ ℕ,

ad[B,K]k1([B,K]),uad[B,K]k(u) para todo uL.                  (a)

También se tiene que

F0,KK.                  (b)

Además, dados xF0 y kK, para todos b, b′ ∈ B,

b,b,[x,k]=b,b,x,k+b,x,b,k=b,b,x,k+b,x,[b,k]+[b,x],b,k+x,b,b,k=0,

ya que [b, x], [b′, x] ∈ B y B es abeliano. Por otra parte,

ad[B,K]n1(K)F0                  (c)

por ser

ad[B,K]n1(K),b=ad[B,K]n1([K,b])B

para todo bB.

Veamos ahora que Fi,FjFi+j para todo i, j ∈ ℤ.

1. Fs,FrFrs para todo r, s ∈ {1, . . . , n}. Por (a)

Fs,Fr=ad[B,K]s1([B,K])+B,ad[B,K]r1([B,K])+B=ad[B,K]s1([B,K]),ad[B,K]r1([B,K])ad[B,K]s+r1([B,K])=Frs.

2. Fr,F0Fr para todo r ∈ {−n, . . . , n} por (b) y la identidad de Jacobi.

3. Fr,FsFsr para todo r, s ∈ {1, . . . , n}. Por (a) y (b) tenemos que

Fr,Fs=ad[B,K]r1([B,K])+B,ad[B,K]ns1(K)+F0ad[B,K]ns+r1(K)+B+ad[B,K]r1([B,K])+ad[B,K]ns1([B,K]).

Distinguiremos tres casos:

▪ Si r = s, por (c)

ad[B,K]ns+r1(K)+B+ad[B,K]r1([B,K])+ad[B,K]ns1([B,K])ad[B,K]n1(K)+B+[B,K]F0.

▪ Si r > s,

ad[B,K]ns+r1(K)+B+ad[B,K]r1([B,K])+ad[B,K]ns1([B,K])ad[B,K]rs(ad[B,K]n1(K))+B+ad[B,K]r1([B,K])+ad[B,K]ns1([B,K])ad[B,K]rs(F0)+B+[B,K]r+[B,K]ns[B,K]rs+B=Fsr.

▪ Si r < s, entonces

ad[B,K]ns+r1(K)+B+ad[B,K]r1([B,K])+ad[B,K]ns1([B,K])Fsr.

4. Fs,FrFr+s para todo r, s ∈ {1, . . . , n}. Aquí distinguiremos dos casos:

▪ Si r + sn, entonces no hay nada que probar, ya que Fs,FrFr+s=L.

▪ Si r + s < n, entonces 2n − 2 − rsn − 1. Procederemos por inducción sobre r desde n − 2 hasta 1. Si r = n − 2, solo necesitamos estudiar s = 1.

Fn2,F1=ad[B,K](K)+F0,ad[B,K]n2(K)+F0ad[B,K](K),ad[B,K]n2(K)+ad[B,K](K)+ad[B,K]n2(K)+F0KFn1.

Supongamos que Fs,FrFr+s para todo s y veamos que se verifica para r − 1:

Fr1,Fs=ad[B,K]nr(K)+F0,ad[B,K]ns1(K)+F0ad[B,K]nr(K),ad[B,K]ns1(K)+ad[B,K]nr(K)+ad[B,K]ns1(K)+F0ad[B,K](ad[B,K]nr1(K),ad[B,K]ns1(K))+ad[B,K]nr1(K),ad[B,K]ns(K)+Fr1+Fsad[B,K](Fr+s)+Fr+s1+Fr1+FsFr+s.

Por último, como F0K, entonces Fn1=K y, por tanto, el par Jordan asociado (L^n,L^n) 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, con12,13ϕ, y sea B un ideal interno abeliano de R(−). Entonces existe n ∈ ℕ, con n ≤ 3, tal que la cadena de submódulos de R(−)

FnFn+1F0Fn1Fn

con Fn1=KerR()B, Fn=B y Fn=R(), es una ℤ-filtración acotada de R(−).

Demostración. Como R es un álgebra semiprima sobre un anillo de escalares ϕ, con 12, 13ϕ 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

FnFn+1F0Fn1Fn,

con Fn1=KerR()B, Fn=B y Fn=R(), 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 12,13,15ϕ. 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

FnFn+1F0Fn1Fn

con Fn1=KerLB, Fn=B y Fn=Skew(R,), es una ℤ-filtración acotada de L.

Demostración. Como R un álgebra asociativa semiprima con involución * sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13,15ϕ 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

FnFn+1F0Fn1Fn

con Fn1=KerRB, Fn=B y Fn=L, 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 12,13ϕ y sea aL un elemento Jordan (un elemento tal que ada3(L)=0. Sea KerLa=xL:ada2(x)=0 y consideremos los conjuntos

Gi=0,i3,G2=[a,[a,L]]+ϕa,G1=a,KerLa+ϕa,G0={xL:[x,a][a,[a,L]]},G1=KerLa,Gj=L,j2.

Entonces {𝒢i}i∈ℤ es una ℤ-filtración acotada de L, llamada filtración principal de L definida por a.

Por otra parte, todo elemento aL ad-nilpotente de índice 3 genera el ideal interno abeliano

(a)L=[a,[a,L]]+ϕa.

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 12, 13ϕ. 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

[[B,K],[B,K]]=[[G2,G1],[G2,G1]][G1,G1]G2=B.

Por lo tanto, podemos considerar la ℤ-filtración acotada Fii 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, Fii, con la filtración principal de L definida por a:

1. F2=(a)L=G2.

2. F1=(a)L,K+(a)L[a,K]+ϕa=G1, ya que para todo xL y todo zK se tiene que

[[a,[a,x]],z]=[[a,z],[a,x]]+[a,[[a,x],z]]=[a,[[a,x],z]][a,[x,[a,z]]][a,K],

por ser [[a, L], K] + [L, [a, K]] ⊂ K. Por otra parte, se tiene que

G1=[a,K]+ϕa[(a)L,K]+(a)L=F1,

obteniendo así que F1=G1.

3. G0F0 ya que dado x ∈ 𝒢0, se tiene que [x, a] ∈ [a, [a, L]] ⊂ F−2 y, por tanto,

[x,(a)L]=[x,[a,[a,L]]+ϕa]=[x,[a,[a,L]]]+[x,ϕa]=[[x,a],[a,L]]+[a,[[x,a],L]]+[a,[a,[[x,L]]]+[x,ϕa][[a,[a,L]],[a,L]]+[a,[[a,[a,L]],L]]+[a,[a,[[x,L]]]+[a,[a,L]][F2,F0]+[F2,[F2,F2]]+F2F2=(a)L.

4. Por construcción, Fi=Gi, para i ≥ 1.

Por lo tanto tenemos que

F2F1F0F1=KF2=L||||||||G2G1G0G1=KG2=L

y ambas filtraciones coinciden cuando a ∈ [a, [a, L]].

Capítulo 3

Especialidad de sistemas Jordan asociados a álgebras de Lie

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.

3.1. Especialidad de las álgebras de Jordan de un álgebra de Lie

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−1L0L1 ⊕ ... ⊕ Ln un álgebra de Lie (2n + 1)-graduada sobre un anillo de escalares ϕ, con 12, 13ϕ. Entonces el par V := (Ln, Ln) con productos

{x,y,z}=[[x,y],z]y{y,x,t}=[[y,x],t]

para todo x, zLn y para todo y, tLn es un par de Jordan. Además, para cualquier i ∈ {1, 2, ... , n − 1}, el par de aplicaciones lineales

(Ψi,Ψi):(Ln,Ln)(Hom(Li,Lin),Hom(Lin,Li))(+),

definidas por Ψσi(x)(y) = adx(y) para todo xLσn y todo yLi, si σ = +, o yLi−n, si σ = −, es un homomorfismo de pares de Jordan entre V y el par de Jordan especial (Hom(Li, Li−n), Hom(Lin, 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

(Ψi,Ψi):(Ln,Ln)(Hom(Li,Lin),Hom(Lin,Li))(+)

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, zLn, y, tLn, uLi, vLin. Entonces

Ψi({x,y,z})(u)=ad[[x,y],z](u)=[[[x,y],z],u]=[[[x,u],y],z]+[[x,[y,u]],z]+[[x,y],[z,u]]=[z,[y,[x,u]]]+0+[[x,[z,u]],y]+[x,[y,[z,u]]]=(Ψi(x)Ψi(y)Ψi(z)+Ψi(z)Ψi(y)Ψi(x))(u)=Ψi(x),Ψi(y),Ψi(z)(u),

ya que [y, u] = 0 y [x, [z, u]] = 0. Análogamente,

Ψi({y,x,t})(v)=ad[[y,x],t](v)=[[[y,x],t],v]=[[[y,v],x],t]+[[y,[x,v]],t]+[[y,x],[t,v]]=[t,[x,[y,v]]]+0+[[y,[t,v]],x]+[y,[x,[t,v]]]=(Ψi(y)Ψi(x)Ψi(t)+Ψi(t)Ψi(x)Ψi(y))(t)=Ψi(y),Ψi(x),Ψi(t)(v),

por ser [x,v] = 0 y [y, [t, v]] = 0.

Luego (Ψi, Ψi) es un homomorfismo de pares de Jordan.

Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que 12, 13ϕ. Sea aL un elemento Jordan y consideremos la filtración principal de L definida por a :

Gi=0,i3,G2=[a,[a,L]]+ϕa,G1=[a,KerLa]+ϕa,G0={xL:[x,a][a,[a,L]]},G1=KerLa,Gj=L,j2.

Así, tenemos que

L^=G2G1/G2G0/G1G1/G0G2/G1

es un álgebra de Lie 5-graduada [35, 1.4]. En particular, V=(G2,G2/G1) es el par de Jordan asociado a L^.

Lema 3.1.2. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que 12,13 ϕ. Sea aL un elemento Jordan y consideremos la filtración principal de L definida por a, {Gi}i. Entonces, el par de aplicaciones

Ψ1:G2Hom(G1/G0,G1/G2)Ψ1:G2/G1Hom(G1/G2,G1/G0)

definidas por Ψ1(b) = adb para todo b ∈ [a, [a, L]] + ϕa, y Ψ1(x¯)=adx¯ para todo x¯L/KerLa, es un homomorfismo de pares de Jordan entre V = (𝒢−2, 𝒢2/𝒢1) y el par de Jordan especial

(Hom(G1/G0,G1/G2),Hom(G1/G2,G1/G0))(+).

Demostración. Consideremos el álgebra de Lie graduada

L^=G2G1/G2G0/G1G1/G0G2/G1.

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

(Hom(G1/G0,G1/G2),Hom(G1/G2,G1/G0))(+)

por el lema anterior.

Proposición 3.1.3. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13ϕ y sea aL un elemento Jordan. Entonces el par

I=(I+,I)=([a,[a,[KerLa,KerLa)]],[KerLa,KerLa]¯]

es un ideal del par de Jordan V = (V+, V) = ([a, [a, L]] + ϕa,L/KerLa). Además, si L es no degenerada,

(KerΨ1,KerΨ1)AnnV(I).

Demostración. Veamos que I=I+,I es un ideal de V. Para todo z1, z2 ∈ KerLa, todo x, yL 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

[[[a,[a,[z1,z2]]],x],[a,[a,y]]+λa][[[a,[a,[z1,z2]]],G2],G2][[a,[a,[z1,z2]]],[G2,G2]][[a,[a,[G1,G1]]],G0][[a,G0],[a,[G1,G1]]]+[a,[[a,G0],[G1,G1]]]+[a,[a,[G1,G1]])[G2,[a,[G1,G1]]]+[a,[G2,[G1,G1]]+[a,[a,[G1,G1]]])[a,[G1,G1]]+[a,[a,[G1,G1]]][G1,G1]=[[a,KerLa]+Φa,[a,KerLa]+Φa][[a,KerLa],[a,KerLa]][a,[a,[KerLa,KerLa]]],

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

{I+,V,V+}I+.

De forma análoga,

[[x,[a,[a,[z1,z2]]]],y]=2[[x,[[a,z1],[a,z2]]],y]=2[[[x,[a,z1]],[a,z2]],y]+2[[[a,z1],[x,[a,z2]]],y][y,[KerLa,[a,KerLa]]][[y,KerLa],[a,KerLa]]+[KerLa,[y,[a,KerLa]][[G2,G1],[G2,G1]]+[G1,[G2,[G2,G1]]][G2,G1]+[G1,G1]KerLa+[KerLa,KerLa],

con lo que

{V,I+,V}I.

Por otra parte,

[[[z1,z2],[a,[a,x]]],y][[[G1,G1],G2],G2][G2,G2]+[[G1,G1],G0]G0+[G1,G1]KerLa+[KerLa,KerLa]

y, análogamente,

[[[z1,z2],a],y][[[G1,G1],G2],G2][G2,G2]+[[G1,G1],G0]G0+[G1,G1]KerLa+[KerLa,KerLa],

lo que prueba que

{I,V+,V}I.

Por último,

[[[a,[a,L]]+ϕa,[KerLa,KerLa]],[a,[a,L]]+ϕa)=[[G2,[G1,G1]],G2][[G1,G1],G2][[G1,G1][[a,KerLa],[a,KerLa]][a,[a,[KerLa,KerLa]]])

y, por tanto

{V+,I,V+}I+.

Supongamos ahora que L es no degenerada. Tenemos que demostrar que KerΨ1,KerΨ1AnnV(I). Como L es no degenerada, entonces V es no degenerado [30, Proposition 3.5 (iii)]. Ahora bien, como V es no degenerado, entonces AnnV(I) 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

{u,[z1,z2],u}=[[u,[z1,z2]],u]=[[[u,z1],z2],u]+[[z1,[u,z2]],u][[F2,F1],F2]=0,

con lo que u pertenece al anulador de I.

Sea ahora x¯L/KerLa tal que x¯Ker1. Como x¯KerΨ1, entonces [x,[a,KerLa]]G0. Para ver que x¯ pertenece al anulador de I, veamos que

{x¯,[a,[a,[KerLa,KerLa]]]],x¯}=0¯

o, equivalentemente,

ada2[[x,[a,[a,[KerLa,KerLa]]]],x]=0.

Sean z1, z2 ∈ KerLa,

[a,[a,[x,[x,[a,[a,[z1,z2]]]]]]][a,[a,[x,[x,[[a,KerLa,[a,KerLa]]]]]][a,[a,[x,[G0,[a,KerLa]]]]][a,[a,[x,[a,KerLa]]]][a,[a,G0]])=0.

Luego x¯ pertenece al anulador de I y, por tanto, (KerΨ1,KerΨ1)AnnV(I).

Corolario 3.1.4. Sea L un álgebra de Lie fuertemente prima sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13ϕ, y sea aL 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 V=([a,[a,L]]+ϕa,KerLa) es el subcociente de L determinado por el ideal interno abeliano (a)L=[a,[a,L]]+ϕa, 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

I=(I+,I)=([a,[a,[KerLa,KerLa]]],[KerLa,KerLa]¯)

es no nulo y, por tanto, AnnV(I) es cero, ya que Iσ,AnnV(I)σ,Iσ=0, AnnV(I) es un ideal de V y V es primo.

Por la proposición anterior, tenemos que KerΨ1,KerΨ1AnnV(I), con lo que (Ψ1,Ψ1) es un monomorfismo entre el par de Jordan V y el par de Jordan especial

(Hom(G1/G0,G1/G2),Hom(G1/G2,G1/G0))(+),

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.

3.2. Especialidad de subcocientes de un álgebra de Lie

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

KerLB={xL:[b,[b,x]]=0}.

Asociado a un ideal interno abeliano B de L podemos considerar el subcociente (B, L/KerLB), que es un par de Jordan con productos

{b1,x¯,b2}=[[b1,x],b2] y {x¯,b1,y¯}=[[x,b],y]¯

para todo b1, b2B y para todo x¯, y¯L/KerLB, ver [30, Lemma 3.2 (a)]

Recordemos que si existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]nB, entonces podemos considerar la filtración asociada a B dada por el Teorema 2.2.1, {Fi}i, donde Fm={0} y Fm=L para todo m>n, y

Fn=BFk=[B,KerLB]k+B, para k=1,,n1F0={xL:[x,B]B}Fs=ad[B,KerLB]ns1(KerLB)+F0, para s=1,,n1Fn=L

Además, el álgebra de Lie ℤ-graduada inducida

L^=FnL^nFn/Fn1L^n

tiene como par de Jordan asociado L^n,L^n al subcociente (B, L/KerLB).

Proposición 3.2.1. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que 12,13ϕ. Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB = {xL : [B, [B, x]] = 0}. Supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]nB y consideremos la filtración asociada a B, {Fi}i. Entonces, el par de aplicaciones

Ψn1:L^nHom(L^n1,L^1)Ψ1n:L^nHom(L^1,L^n1)

definidas por Ψσ(n1)(x)(y)=adx(y) para todo xL^σn y para todo yL^n1, si σ=+oyL^1 si σ=, es un homomorfismo de pares de Jordan entre V=(L^n,L^n) y el par de Jordan especial

(Hom(L^n1,L^1),Hom(L^1,L^n1))(+).

Demostración. Como [B,KerLB]nB, podemos considerar el álgebra de Lie (2n + 1)-graduada

L^=L^nL^0L^n.

Las aplicaciones Ψn−1 y Ψ1−n están bien definidas y (Ψn−1, Ψ1−n) es un homomorfismo de pares de Jordan entre

V=(L^n,L^n)=(Fn,Fn/Fn1)=(B,L/KerLB)

y el par de Jordan especial

(Hom(L^n1,L^1),Hom(L^1,L^n1))(+)

por el Lema 3.1.1.

Proposición 3.2.2. Sea L un álgebra de Lie sobre un anillo de escalares ϕ tal que 12,13ϕ. Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB. Entonces el par

I=(I+,I)=([B,[B,[KerLB,KerLB]]],[KerLB,KerLB]¯)

es un ideal del par de Jordan V=(V+,V)=(B,L/KerLB).

Demostración. Sean b1,b2,b3B,z1,z2KerLB y x¯,y¯L/KerLB. Veamos primero que {I+,V,V+}I+.

{[b1,[b2,[z1,z2]]},x¯,b3]=[[[b1,[b2,[z1,z2]]],x],b3]=[[b1,[b2,[z1,z2]]],[x,b3]]==[[b1,[x,b3]],[b2,[z1,z2]]]+[b1,[[b2,[x,b3]],[z1,z2]]]++[b1,[b2,[[z1,z2],[x,b3]]]][B,[B,[KerLB,KerLB]],)

ya que [[z1,z2],[x,b3]]=[[z1,[x,b3]],z2]+[z1,[z2,[x,b3]]][KerLB,KerLB].
Luego I+,V,V+I+.

Veamos ahora que {V,I+,V}I.

x¯,b1,b2,z1,z2,y¯=x,b1,b2,z1,z2,y¯L,L,B,B,KerLB,KerLB¯[L,[[L,B],[B,[K,K]]]]¯+L,B,[L,B],KerLB,KerLB¯L,B,KerLB,KerLB¯+L,B,[L,B],KerLB,KerLB¯+[L,B],[L,B],KerLB,KerLB¯+[B,L]¯[L,B],KerLB,KerLB¯+[B,L]¯+[L,B],[L,B],KerLB,KerLB¯KerLB,KerLB¯,

por ser

[[L,B],[KerLB,KerLB]][[[L,B],KerLB],KerLB][K,K]

y [B,L]¯=0¯, ya que [B, L] ⊂ KerLB.

Ahora, veamos que {I,V+,V}I.

z1,z2¯,b1,x¯=z1,z2,b1,x¯=z1,z2,x,b1¯+z1,z2,b1,x¯KerLB,KerLB,[B,L]¯KerLB,[B,L],KerLB¯KerLB,KerLB¯,

con lo que {I,V+,V}I.

Por último, veamos que {V+,I,V+}I+.

{b1,[z1,z2]¯,b2}=[[b1,[z1,z2]],b2][B,[B,[KerLB,KerLB]]]

y, por tanto, {V+,I,V+}I+.

Luego I=I+,I 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 12,13ϕ, y sea J = (J+, J) un ideal de V. Para cada m ≥ 0, definimos J3m+1:=((J3m+1)+,(J3m+1)), donde

(J3m+1)+={(J3m)+,(J3m),(J3m)+}(J3m+1)={(J3m),(J3m)+,(J3m)}.

Lema 3.2.4. Sea V = (V+, V) un par de Jordan sobre un anillo de escalares ϕ, con 12,13ϕ. 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

J3σ=Jσ,Jσ,JσJσ,

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.

J3m+2σ=J3m+1σ,J3m+1σ,J3m+1σJ3mσ,J3mσ,J3mσ=J3m+1σ.

Luego (J3m+1)σ ⊂ (J3m)σ para todo m ≥ 0.

2. Como (J3m+1)σ ⊂ (J3m)σ para cada m ≥ 0, entonces

J3m+1σ,J3m+1σ,J3m+1σJ3mσ,J3mσ,J3mσ=J3m+1σ,

con lo que J3m+1 es sub par de V. Además.

J3m+1σ,J3mσ,J3mσ+J3mσ,J3m+1σ,J3mσJ3mσ,J3mσ,J3mσ=J3m+1σ.

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

J3σ=Jσ,Jσ,Jσ,

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 12,13ϕ. Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB. Supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]nB y consideremos el ideal 𝒥 = (𝒥+, 𝒥) = (KerΨn−1, KerΨ1−η), donden−1, Ψ1−n) es el homomorfismo de pares de Jordan dado en la Proposición 3.2.1. Entonces

J3m+bB:b,KerLBB,KerLBm+2+B.

Además, si L es no degenerada, entonces

J3m+AnnV(I)+

para todo m+2n+12, donde

I=I+,I=B,B,KerLB,KerLB,KerLB,KerLB¯.

Demostración. Procederemos por inducción sobre m ≥ 0. Si m = 0, entonces 𝒥+ = KerΨn−1. con lo que si b ∈ KerΨn−1, entonces

b,KerLBF2=B,KerLB2+B.

Supongamos ahora que

J3m1+bB:b,KerLBB,KerLBm+1+B

y veamos que

J3m+bB:b,KerLBB,KerLBm+2+B.

Sean b1, b2 ∈ (𝒥3m−1)+, x¯J3m1 y consideremos b3=b1,x¯,b2. Sea z ∈ KerLB, tenemos que ver que [b3, z] ∈ [B, KerLB]m+2 + B.

b3,z=b1,x,b2,z=b1,z,x,b2+b1,[x,z],b2+b1,x,b2,zB,KerLBm+1+B,x,b2+B+b1,x,B,KerLBm+1+BB,KerLBm+1,x,b2+b1,x,B,KerLBm+1+B.

Ahora bien, como

B,KerLBm+1,L=B,KerLB,B,KerLBm,LKerLB,B,KerLBm+B,KerLB,KerLBB,KerLB,KerLB,

entonces

B,KerLBm+1,x,b2+b1,x,B,KerLBm+1+BB,KerLB,KerLB,b2+b1,B,KerLB,KerLB+BB,KerLB,KerLB,b2+B,KerLB,b1,KerLB+BB,KerLB,B,KerLBm+1+BB,KerLBm+2+B.

Luego

J3m+bB:b,KerLBB,KerLBm+2+B

para todo m ≥ 0.

Supongamos ahora que L es no degenerada. Entonces V es no degenerado por [30, Proposition 3.5 (iii)]. Veamos que J3m+AnnV(I)+. Sea b ∈ (J3m)+ y sean z1, z2 ∈ KerLB. Entonces, para m+2n+12,

b,z1,z2,b=b,z1,z2,b=2b,z1,b,z2B,KerLBm+2+B,B,KerLBm+2+BB,KerLB2m+4B,KerLBn+1=0,

ya que [B, KerLB]nB. Luego, por la caracterización del anulador de un ideal para pares de Jordan no degenerados ([54, Proposition 1.7]), tenemos que J3m+AnnV(I)+.

Corolario 3.2.6. Sea L un álgebra de Lie fuertemente prima sobre un anillo de escalares ϕ tal que 12,13ϕ. Sea B un ideal interno abeliano de L y consideremos KerLB. Supongamos que existe n ∈ ℕ tal que [B, KerLB]nB. 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

I=I+,I=B,B,KerLB,KerLB,KerLB,KerLB¯

es no nulo y, por tanto, AnnV(I) es cero, ya que Iσ,AnnV(I)σ,Iσ=0, AnnV(I) 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

HomL^n1,L^1,HomL^1,L^n1(+)

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 12,13ϕ, y seaun ideal interno abeliano de R(−)/Z(R). Entonces existe un ideal interno abeliano Bde R(−) tal que BB′ = 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

π([B,[B,R]])[B,[B,R/Z(R)]]B,

entonces [B, [B, R]] ⊂ B. Además, si bB, adb3(R)Z(R), por ser ℬ un ideal interno abeliano de R/Z(R) y, por tanto, adb3(R)=0, por [19, Lemma 3.1]. Aplicando de nuevo que ℬ es ideal interno abeliano de R/Z(R), tenemos que [b1, b2] = b1b2b2b1Z(R) para todo b1, b2B, con lo que

0=adb13b23=b13b233b12b23b1+3b1b23b12b23b13=6b1,b23

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 BB′ = 0. Para acabar, veamos que B′ ∩ Z(R) = 0. Sea b′ ∈ B′ ∩ Z(R) entonces, para todo xR, tenemos que

0=b,x=bxxb

y, por tanto,

bxb=0,

ya que BB′ = 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 12,13ϕ. 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 R^ de R, L^:=R^()/Z(R^) y sea B^ la extension por escalares de B en L^. Como R es prima, entonces R^ es prima. Luego, por el lema anterior, podemos suponer que B^=πB, donde B′ es un ideal interno abeliano de R^() tal que BB′ = 0 y π denota la proyección canónica de R^() sobre L^. Por el apartado 4 de la Proposicion 2.1.1, tenemos que B,KerR^()B es nilpotente y, por tanto, πB,KerR^()B es una subálgebra de L^ nilpotente. Por el Corolario 3.2.6, tenemos que el subcociente B^,KerL^B^ 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 12,13,15ϕ, vimos que para cada ideal interno abeliano no nulo B de longitud finita de L, existe una ℤ-graduación finita L = Ln ⊕ · · · ⊕ 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]nB, con lo que [B, KerLB]n+1 = 0.

Cuando la graduación es una 3-graduación, L = L−1L0L1, KerLB = L0L1 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.

Capítulo 4

Una forma canónica de Jordan para elementos nilpotentes

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 aR es un elemento nilpotente del índice n y an − 1 es regular von Neumann, podemos descomponer a = ea + (1 − e)a, siendo eaeReMn(S) 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 eR tal que ae = ea. Este resultado hace posible caracterizar los anillos primos de índice acotado n, con un elemento nilpotente aR 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, yR, entenderemos yxyR.

4.1. Forma canónica de Jordan

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 aR un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Entonces existe bR 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 bR tal que an−1ban−1 = an−1. Consideremos b′ = ban−1 bR, entonces se tiene que

an1ban1=an1ban1ban1=an1ban1ban1=an1ban1=an1

y

ban1b=ban1ban1ban1b=ban1ban1ban1b=ban1ban1b=b.

Consideremos ahora c = b′ab′an−2b′. Entonces tenemos que

an1can1=an1ban1anban2ban1=an1,can1c=ban1caban2ban1c=ban1bbanban2baban2ban1b+aban2banban2b=baban2b=c

y

can2c=can2bcan1ban2b=ban2baban2ban2bban1ban2b+aban2ban1ban2b=ban2baban2ban2bban2b+aban2ban2b=0.

Usaremos un argumento recursivo. Por inducción decreciente sobre s = n − 2, ... , 0, supongamos que existe bR tal que, para todo k ∈ {s + 1, ... , n − 2}, tenemos que

an1ban1=an1,ban1b=b y bakb=0.

Definamos d := 1 − an−1−sbas, entonces c := db verifica

akc=akdb=ak1an1sbasb=akban+k1sbasb=akb

para todo k ∈ {s + 1, ... , n − 1}, ya que n + k − 1 − sn para todo k ∈ {s + 1, ... , n − 1} y an = 0. Además,

an1can1=an1ban1=an1,

can1c=can1b=dban1b=db=c

y, para todo k ∈ {s + 1, … , n − 1},

cakc=cakb=dbakb=0.

Veamos que casc = 0:

casc=cas1an1sbasb=casbcan1basb=dbasbdban1basb=dbasbdbasb=0.

Por lo tanto, podemos concluir la demostración por recursión.

Definición 4.1.2. Sea R un anillo y sea aR un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. A un elemento bR con las características del lema anterior se le denomina inverso de Rus de a.

Teorema 4.1.3. Sea R un anillo y sea aR un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Sea bR un inverso de Rus de a. Entonces existen n idempotentes ortogonales no nulos {ek}k=1n en R (que dependen de b) tales que, si e=k=1nek, entonces se verifica:

1. ea = ae,

2. an−1e = an−1,

3. (1 − e)a es nilpotente de índice menor que n,

4. eRen(e1Re1) y, si ei,ji,j=1n denotan a las matrices unidades del anillo de matrices eRe, entonces ea=k=1n1ek+1,k.

5. Para todo s ∈ {1, 2, ... , n − 1}, (ea)s es unit-regular en eRe ya que, si d=k=1n1ek,k+1+en,1, 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 bR tal que

an1ban1=an1,ban1b=b y bakb=0

para todo k ∈ {0, 1, ... , n − 2}. Consideremos ei,j = ai − 1 banj para i, j = 1, 2, ... , n. Entonces tenemos que

eu,ver,s=au1banvar1bans=au1banv+r1bans=δv,rau1ban1bans=δv,rau1bans=δv,reu,s,

donde δv, r denota la delta de Kronecker, es decir, δv, r = 0, si vr, y δv, r = 1, si v = r. Por lo tanto, {ek:=ek,k}k=1n es un conjunto de idempotentes ortogonales. Además, estos idempotentes son no nulos, ya que

en,kekek,1=en,1=an1ban1=an10.

1. Como e1a=ban=0,aen=anb=0yeka=(ak1bank)a=ak1bank+1=a(ak2bank+1)=aek1,

para todo k = 2, . . . , n, entonces e=k=1nek es un idempotente de R que conmuta con a:

ae=a(i=1nei)=a(i=1n1ei)=(i=2nei)a=(i=1nei)a=ea.

2. an1e=an1e1=an1ban1=an1.

3. Como (1e)a=aea=aae=a(1e) y (1e)2=(1e), entonces ((1e)a)n1=(1e)an1=an1ean1=0.

4. Como {ei,j}i,j=1n es un conjunto de matrices unitarias, donde ei,j = ai−1banj 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

ea=eae=(e2++en)a(e1++en1)=k=1n1ek+1aek=k=1n1(akbank+1)a(ak1bank)=k=1n1akban1bank=k=1n1akbank=k=1n1ek+1,k.

5. Si d=k=1n1ek,k+1+en,1, entonces ds=k=1nsek,k+s+k=1sens+k,k para todo s ∈ {1, 2, . . . , n} es invertible en eRe, ya que dn=k=1nek,k. Por otra parte, como ea=k=1n1ek+1,k, entonces (ea)s=k=1nsek+s,k para todo s ∈ {1, 2, . . . , n − 1}, con lo que

(ea)sds=k=1nsek+s,k+s

y, por tanto,

(ea)sds(ea)s=k=1nsek+s,k=(ea)s

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 aR un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Sea bR 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 aR 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 aR 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

(a+b)n=an1b+an2ba++aban2+ban1=i=1nei=e,

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 aMm (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

A=0    0    0    0    0    01    0    0    0    0    00    1    0    0    0    00    0    0    0    0    00    0    0    1    0    00    0    0    0    1    0M6(F)

consiste en dos bloques de Jordan de tamaño 3 × 3 asociados al autovalor 0. Si ei,ji,j=16 denotan a las matrices unitarias de M6(𝔽), entonces A = e2,1 + e3,2 + e5,4 + e6,5. El elemento AR 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

A2BA2=(e3,1+e6,4)(e1,3+e4,6)(e3,1+e6,4)=(e3,3+e6,6)(e3,1+e6,4)=e3,1+e6,4=A2,BA2B=(e1,3+e4,6)(e3,1+e6,4)(e1,3+e4,6)=(e1,1+e4,4)(e1,3+e4,6)=e1,3+e4,6=B

y

BAB=e1,3+e4,6e2,1+e3,2+e5,4+e6,5e1,3+e4,6=e1,2+e4,5e1,3+e4,6=0.

Si denotamos por letras mayúsculas a los idempotentes ei,j definidos en la demostración del Teorema 4.1.3, tenemos que

E1,1=BA2=(e1,3+e4,6)(e3,1+e6,4)=e1,1+e4,4,E2,2=ABA=(e2,1+e3,2+e5,4+e6,5)(e1,3+e4,6)(e2,1+e3,2+e5,4+e6,5)=(e2,3+e5,6)(e2,1+e3,2+e5,4+e6,5)=e2,2+e5,5

y

E3,3=A2B=(e3,1+e6,4)(e1,3+e4,6)=e3,3+e6,6,

con lo que

E=E1,1+E2,2+E3,3=Id

y, por tanto, A = EA es un elemento bloque asociado a la matriz identidad E en R.

Nótese que

E2,1=ABA2=AE1,1=e2,1+e3,2+e5,4+e6,5e1,1+e4,4=e2,1+e5,4

y

E3,2=A2BA=E3,3A=e3,3+e6,6e2,1+e3,2+e5,4+e6,5=e3,2+e6,5,

con lo que A = E2,1 + E3,2. Luego RM3(E11RE11), con E11RE11M2(𝔽) y

A=0    0    0I    0    00    I    0, donde I=1    00    1.

Corolario 4.1.9. Sea R un anillo y sea aR 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 {ui}i=1k de R que conmutan con a y tales que a=i=1k 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 {ek(1)}k=1n tal que, si u1:=k=1nek(1), 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, a(2):=(1u1)a(1)=(1u1)a 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 cR tal que an2−1can2−1 = an2−1 y, si multiplicamos por 1 − u1 por ambos lados obtenemos

(1u1)an21can21(1u1)=(1u1)an21(1u1),

con lo que

a(2)n21ca(2)n21=1u1an21c1u1an21=1u1an21c1u1an21=1u1an21can211u1=1u1an211u1=1u1an21=a(2)n21.

Por el Teorema 4.1.3, existe una familia de idempotentes ortogonales no nulos ek(2)k=1n2 tal que, si u2:=k=1n2ek(2), 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 ek(2)1u1R1u1 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

u2(1u1)a=u2a(2)=a(2)u2=(1u1)au2,

es decir,

u2au2u1a=au2u1au2=au2au1u2.

Luego u2a = au2.

Mediante un argumento recursivo, tenemos que existe una familia de idempotentes ortogonales no nulos uii=1k 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, a=i=1k uia, ya que

a=u1a+1u1a=u1a+u2a+1u2a==i=1kuia.

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 i=1k(Xλi)ni, donde λi ≠ λj si ij. Supongamos que (a − λi)ki es regular von Neumann para cada kini, con i = 1, ..., k. Entonces existe una familia de idempotentes ortogonales {vs}s=1k y familias de idempotentes ortogonales {us,i} ⊂ vsRvs, todos conmutando con a, tal que a=s,ius,ia, donde cada us,ia – λsus,ius,iRus,i es un elemento bloque nilpotente de índice ns,ins 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

λs00001λs00001λs00000λs00001λs.

Demostración. Para cada s = 1, 2, . . . , k, definamos qs(X):=isXλini. Así, tenemos que q1(X), . . . , qk(X) son coprimos. Luego, aplicando la Identidad de Bézout, existen r1(X), . . . , rk(X) ∈ 𝔽[X] tales que

r1(X)q1(X)+r2(X)q2(X)++rk(X)qk(X)=1.

Si definimos vs := rs(a)qs(a) para cada s = 1, 2, . . . , k, tenemos que vss=1k 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 i=1kaλini=0 y

r1(a)q1(a)+r2(a)q2(a)++rk(a)qk(a)=1.

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 kini entonces vs(a − λs)ki es regular von Neuman para todo kini. Luego, aplicando el corolario anterior a cada vs(a − λs) ∈ vsRvs, existe una familia de idempotentes ortogonales us,ii=1msvsRvs que conmutan con vs(a − λs) y tales que

vsaλs=i=1msus,ivsaλs,

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 {us,i}i=1ms puede completarse a una familia completa de idempotentes ortogonales añadiéndole el idempotente

us,ms+1=vsi=1msus,i,

siempre que us,ms+1 ≠ 0. De esta forma, tenemos que us,ms+1(a – λs) = 0, con lo que {us,i}i=1ms+1 es una familia completa de idempotentes ortogonales que conmutan con vs(a – λs), tales que

vs(aλs)=i=1msus,ivs(aλs),

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 us,ii=1ms+1vsRvs 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,ius,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

us,iaλsus,i=us,ivs(aλs)=(aλs)vsus,i=(aλs)us,i=aus,iλsus,i.

Por otra parte, como i=1ms+1us,i=vs y s=1kvs=1, entonces

s,ius,ia=svsa=a.

Por último, aplicando el Teorema 4.1.3 a cada elemento us,ivs(a − λs) = us,i(a − λs) = us,i(a − λs)us,ius,i Rus,iMns,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

0000010000010000000000010,

con lo que us,ia puede verse como una matriz de tamaño ns,i×ns,i de la forma

λs00001λs00001λs00000λs00001λs.

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 R=M3(F) y a=e1,2R, el elemento b=e2,1R es un inverso de Rus de a y a es un elemento de bloque con idempotente bloque asociado

e=ba+ab=e2,1e1,2+e1,2e2,1=e1,1+e2,2

El elemento b′ = e2,1 + e3,1R es otro inverso de Rus de a y a es un elemento de bloque con idempotente de bloque asociado

e=ba+ab=(e2,1+e3,1)e1,2+e1,2(e2,1+e3,1)=e1,1+e2,2+e3,2.

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 {ei}i=1n un conjunto de idempotentes ortogonales no nulos, donde uno de ellos puede ser de la forma 1 − eR1, con e un idempotente de R y R1=R+1 la unitilización de R. Supongamos que existe xiR,i=1,,n1, con e1x1e2x2en1xn1en0. Entonces R tiene un elemento nilpotente de índice n.

Demostración. Consideremos el elemento a:=i=1n1eixiei+1R. Entonces a es nilpotente de índice n, ya que an1=e1x1e2x2en1xn1en0 y an = 0.

Definición 4.1.14. Sea R un anillo y sea aR 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 aR un bloque maximal. Entonces todos los idempotentes bloque centrales asociados a a coinciden.

Demostración. Sea aR 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 eZ(R). Por el apartado 4 del Teorema 4.1.3, tenemos que eReMn(e1Re1) у ea=k=1n1ek+1,k. Denotemos por ⟨an−1⟩ al ideal generado por an−1. Veamos que ⟨an−1⟩ = eR. Por una parte, como ea=k=1n1ek+1,k, entonces

an1=ean1=(ea)n1=en,1,

con lo que

ei,j=ei,nen,1e1,jan1

para todo i, j ∈ {1, ..., n} y, por tanto, e ∈ ⟨an−1⟩. Luego eRan1. Por otra parte, como an1=ean1eR y eR es un ideal de R por ser eZ(R), entonces an1eR. Por lo tanto, an1 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⟩ = eR, siendo e′ el elemento unidad de ⟨an−1⟩, con lo que e′ = e.

Corolario 4.1.16. Sea R un anillo y sea aR 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 {ei}i=1n tales que e=i=1nei 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 xR tales que ek,kx(1e)0, con lo que

e1,1e1,2e2,2ek1,k1ek1,k+1ek+1,k+1en,nen,kek,kx(1e)0.

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, eZ(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 aR 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, eReMn(S), donde S es un anillo unitario sin elementos nilpotentes no nulos.

2. Si R es regular von Neumann, eReMn(S), donde S es regular abeliano.

3. Si R es indescomponible, RMn(S), donde S es un anillo unitario sin elementos nilpotentes no nulos.

4. Si R es primo, RMn(S), donde S es dominio unitario.

5. Si R es indescomponible y regular von Neumann, RMn(Δ), 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 eii=1n tales que e=i=1nei y ea=aeeReMne1Re1.

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 be1Re1 es un elemento nilpotente no nulo de índice m. Veamos que b+k=1n1ek,k+1 es nilpotente de índice n + 1. En primer lugar, nótese que como be1Re1R y el índice de nilpotencia maximal en R es n, entonces mn. Ahora bien, dado l ∈ ℕ, tenemos que

b+k=1n1ek,k+1l=bl+be1,l+k=1nlek,k+l,

ya que b = e1,1be1,1e1Re1. En particular, tenemos que

b+k=1n1ek,k+1n1=bn1+be1,n1+e1,n,

con lo que

b+k=1n1ek,k+1n=bn+be1,n=be1,n0

por ser b = be1,1 = be1,nen,1 ≠ 0. Por lo tanto, b+k=1n1ek,k+1 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 RMn(S) 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 RMn(S). 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 RMn(S), donde S es regular abeliano. Veamos que S es un anillo de división. Sea xS, con x ≠ 0. Como S es regular von Neumann, existe entonces yS tal que xyx = x y, por tanto, xy es un idempotente (central) de S distinto de cero. Luego i=1n(xy)ei,iR es un idempotente central no nulo de R. Ahora bien, como RMn(S) es indescomponible y xy ≠ 0, entonces 1=i=1n(xy)ei,i=(xy)i=1nei,i, con lo que xy = 1. Por lo tanto, S es un anillo de división.

Capítulo 5

Resultados y métodos

5.1. Resultados principales

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, con12,13ϕ, y sea aL 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]nB. 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 eaR 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 aR un elemento nilpotente de R con índice n tal que an−1 es regular von Neumann. Sea bR un inverso de Rus de a. Entonces existen n idempotentes ortogonales no nulos {ek}k=1n en R (que dependen de b) tales que, si e=k=1nek, entonces eReMn(e1Re1) y, si {ei,j}i,j=1n denotan a las matrices unidades del anillo de matrices eRe, entonces ea=eae=k=1n1ek+1,k.

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 aR 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 uii=1k de R que conmutan con a y tales que a=i=1k 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.

5.2. Métodos utilizados

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

L^=G2G1/G2G0/G1G1/G0G2/G1,

que aparece gracias a la filtración principal definida por a,

G2G1G0G1G2,

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

Ψ1:G2Hom(G1/G0,G1/G2)

Ψ1:G2/G1Hom(G1/G2,G1/G0)

definidas por Ψ1(b) = adb para todo b[a,[a,L]]+ϕa,yΨ1(x¯)=adx¯ para todo x¯L/KerLa, es un homomorfismo de pares de Jordan entre V=(G2,G2/G1) y el par de Jordan especial

(Hom(G1/G0,G1/G2),Hom(G1/G2,G1/G0))(+).

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

FnFn+1F0Fn1Fn

donde Fm:={0} y Fm:=L para todo m > n y

Fn:=BFk:=[B,KerLB]k+B, para k=1,,n1F0:={xL:[x,B]B}a⋮Fs:=ad[B,KerLB]ns1(KerLB)+F0, para s=1,,n1Fn:=L

De esta forma, se obtiene que el álgebra de Lie ℤ-graduada inducida

L^=FnL^nFn/Fn1L^n

tiene como par de Jordan asociado al subcociente

(L^n,L^n)=(B,L/KerLB)

y, por tanto, el par de aplicaciones

Ψn1:L^nHom(L^n1,L^1)

Ψ1n:L^nHom(L^1,L^n1)

definidas por Ψσ(n−1)(x)(y) = adxy para todo xL^σn y para todo yL^n1, si σ=+ o yL^1 si σ=, es un homomorfismo de pares de Jordan entre (B,L/KerLB)=(L^n,L^n) y el par de Jordan especial

(Hom(L^n1,L^1),Hom(L^1,L^n1))(+).

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]nB. 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 eReMn(S), donde S es un anillo unitario. Gracias a este idempotente, podemos expresar el elemento a como a = ea + (1 − e)a, siendo ea ∈ eReMn(S) un bloque de Jordan de tamaño n × n.

Para ello, hacemos uso de un inverso de Rus de a, esto es, un elemento bR 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 {ei}i=1n de manera que e=i=1nei.

Además, se tiene que el anillo unitario S que aparecía como anillo de escalares bajo el isomorfismo eReMn(S) es S = e1Re1.

Bibliografía

  [1]A. Adrian Albert. On a certain algebra of quantum mechanics. Ann. of Math. (2), 35(1):65–73, 1934.

  [2]José A. Anquela, Teresa Cortés, Ottmar Loos, and Kevin McCrimmon. An elemental characterization of strong primeness in Jordan systems. J. Pure Appl. Algebra, 109(1):23–36, 1996.

  [3]José A. Anquela, Teresa Cortés, and Efim Zelmanov. Local nilpotency of the McCrimmon radical of a Jordan system. Tr. Mat. Inst. Steklova, 292(Algebra, Geometriya i Teoriya Chisel):7–15, 2016.

  [4]Efraim P. Armendariz. On semiprime rings of bounded index. Proc. Amer. Math. Soc., 85(2):146–148, 1982.

  [5]A. A. Baranov and J. Rowley. Inner ideals of simple locally finite Lie algebras. J. Algebra, 379:11–30, 2013.

  [6]Y. Barnea and D. S. Passman. Filtrations in semisimple Lie algebras. I. Trans. Amer. Math. Soc., 358(5):1983–2010, 2006.

  [7]Y. Barnea and D. S. Passman. Filtrations in semisimple Lie algebras. II. Trans. Amer. Math. Soc., 360(2):801–817, 2008.

  [8]Willard E. Baxter and Wallace S. Martindale, III. The extended centroid in *-prime rings. Comm. Algebra, 10(8):847–874, 1982.

  [9]K. I. Beidar, W. S. Martindale, III, and A. V. Mikhalev. Rings with generalized identities, volume 196 of Monographs and Textbooks in Pure and Applied Mathematics. Marcel Dekker, Inc., New York, 1996.

[10]K. I. Beidar, K. C. O’Meara, and R. M. Raphael. On uniform diagonalisation of matrices over regular rings and one-accessible regular algebras. Comm. Algebra, 32(9):3543–3562, 2004.

[11]G. Benkart. The Lie inner ideal structure of associative rings. J. Algebra, 43(2):561–584, 1976.

[12]G. Benkart. On inner ideals and ad-nilpotent elements of Lie algebras. Trans. Amer. Math. Soc., 232:61–81, 1977.

[13]G. Benkart and A. Fernández López. The Lie inner ideal structure of associative rings revisited. Comm. Algebra, 37(11):3833–3850, 2009.

[14]Georgia Benkart. On inner ideals and ad-nilpotent elements of Lie algebras. Trans. Amer. Math. Soc., 232:61–81, 1977.

[15]K. I. Beidar and A. V. Mikhalëv. Semiprime rings with bounded indexes of nilpotent elements. Trudy Sem. Petrovsk., (13):237–249, 259–260, 1988.

[16]Bailey Brown and Neal H. McCoy. Prime ideals in nonassociative rings. Trans. Amer. Math. Soc., 89:245–255, 1958.

[17]J. Brox, A. Fernández López, and M. Gómez Lozano. Inner ideals of Lie algebras of skew elements of prime rings with involution. Proc. Amer. Math. Soc., 144(7):2741–2751, 2016.

[18]J. Brox, A. Fernández López, and M. Gómez Lozano. Clifford elements in Lie algebras. J. Lie Theory, 27(1):283–294, 2017.

[19]J. Brox, E. García, and M. Gómez Lozano. Jordan algebras at Jordan elements of semiprime rings with involution. J. Algebra, 468:155–181, 2016.

[20]J. Brox, E. García, Gómez Lozano M., R. Muñoz Alcázar, and G. Vera de Salas. Ad-nilpotent elements of skew-index in semiprime associative algebras with involution (submitted).

[21]J. Brox, E. García, Gómez Lozano M., R. Muñoz Alcázar, and G. Vera de Salas. A description of ad-nilpotent elements in semiprime rings with involution. Bull. Malays. Math. Sci. Soc., 2021.

[22]A.M. Cohen. Inner ideals in Lie algebras and spherical buildings, ar- Xiv:2010.15897.

[23]C. Draper, A. Fernández López, E. García, and M. Gómez Lozano. The inner ideals of the simple finite dimensional Lie algebras. J. Lie Theory, 22(4):907–929, 2012.

[24]J. R. Faulkner. On the geometry of inner ideals. J. Algebra, 26:1–9, 1973.

[25]A. Fernández López. Jordan structures in Lie algebras, volume 240 of Mathematical Surveys and Monographs. American Mathematical Society, Providence, RI, 2019.

[26]A. Fernández López, E. García, and M. Gómez Lozano. Inner ideals of finitary simple Lie algebras. J. Lie Theory, 16(1):97–114, 2006.

[27]A. Fernández López, E. García, and M. Gómez Lozano. The Jordan algebras of a Lie algebra. J. Algebra, 308(1):164–177, 2007.

[28]A. Fernández López, E. García, and M. Gómez Lozano. An Artinian theory for Lie algebras. J. Algebra, 319(3):938–951, 2008.

[29]A. Fernández López, E. García, and M. Gómez Lozano. Inner ideal structure of nearly Artinian Lie algebras. Proc. Amer. Math. Soc., 137(1):1–9, 2009.

[30]A. Fernández López, E. García, M. Gómez Lozano, and E. Neher. A construction of gradings of Lie algebras. Int. Math. Res. Not. IMRN, (16):Art. ID rnm051, 34, 2007.

[31]A. Fernández López, E. García Rus, M. Gómez Lozano, and M. Siles Molina. Jordan canonical form for finite rank elements in Jordan algebras. Linear Algebra Appl., 260:151–167, 1997.

[32]Antonio Fernández López. Prime nondegenerate Jordan algebras with nonzero socle and the symmetric Martindale algebra of quotients. Collect. Math., 39(3):249–256, 1988.

[33]E. García and M. Gómez Lozano. An elemental characterization of strong primeness in Lie algebras. J. Algebra, 312(1):132–141, 2007.

[34]E. García and M. Gómez Lozano. A characterization of the Kostrikin radical of a Lie algebra. J. Algebra, 346:266–283, 2011.

[35]E. Garcia and M. Gómez Lozano. Principal filtrations of Lie algebras. Comm. Algebra, 40(10):3622–3628, 2012.

[36]E. García, M. Gómez Lozano, and R. Muñoz Alcázar. On the speciality of Jordan algebras and subquotients of Lie algebras. J. Algebra, 563:426–441, 2020.

[37]E. García, Gómez Lozano M., and R. Muñoz Alcázar. A filtration associated to an abelian inner ideal of a lie algebra (submitted).

[38]Esther García, Miguel Gómez Lozano, Rubén Muñoz Alcázar, and Guillermo Vera de Salas. A Jordan canonical form for nilpotent elements in an arbitrary ring. Linear Algebra Appl., 581:324–335, 2019.

[39]K. R. Goodearl. Von Neumann regular rings. Robert E. Krieger Publishing Co., Inc., Malabar, FL, second edition, 1991.

[40]John Hannah. Quotient rings of semiprime rings with bounded index. Glasgow Math. J., 23(1):53–64, 1982.

[41]James E. Humphreys. Introduction to Lie algebras and representation theory, volume 9 of Graduate Texts in Mathematics. Springer-Verlag, New York-Berlin, 1978. Second printing, revised.

[42]N. Jacobson. Lectures on quadratic Jordan algebras. Tata Institute of Fundamental Research Lectures on Mathematics, No. 45. Tata Institute of Fundamental Research, Bombay, 1969.

[43]N. Jacobson. Lie algebras. Dover Publications, Inc., New York, 1979. Republication of the 1962 original.

[44]P. Jordan, J. von Neumann, and E. Wigner. On an algebraic generalization of the quantum mechanical formalism. Ann. of Math. (2), 35(1):29–64, 1934.

[45]I. L. Kantor. Classification of irreducible transitive differential groups. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 158:1271–1274, 1964.

[46]I. L. Kantor. Non-linear groups of transformations defined by general norms of Jordan algebras. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 172:779–782, 1967.

[47]I. L. Kantor. Certain generalizations of Jordan algebras. Trudy Sem. Vektor. Tenzor. Anal., 16:407–499, 1972.

[48]Max Koecher. Imbedding of Jordan algebras into Lie algebras. I. Amer. J. Math., 89:787–816, 1967.

[49]Max Koecher. Imbedding of Jordan algebras into Lie algebras. II. Amer. J. Math., 90:476–510, 1968.

[50]T. Y. Lam. Lectures on modules and rings, volume 189 of Graduate Texts in Mathematics. Springer-Verlag, New York, 1999.

[51]O. Loos. Jordan pairs. Lecture Notes in Mathematics, Vol. 460. Springer-Verlag, Berlin-New York, 1975.

[52]O. Loos. Filtered Jordan systems. Comm. Algebra, 18(6):1899–1924, 1990.

[53]Neal H. McCoy. Prime ideals in general rings. Amer. J. Math., 71:823–833, 1949.

[54]Kevin McCrimmon. Strong prime inheritance in jordan systems. Algebras, Groups and Geometries, 1:217–234, 1984.

[55]Kevin McCrimmon. Martindale systems of symmetric quotients. Algebras Groups Geom., 6(2):153–237, 1989.

[56]Kevin McCrimmon. A taste of Jordan algebras. Universitext. SpringerVerlag, New York, 2004.

[57]Kevin C. O’Meara, John Clark, and Charles I. Vinsonhaler. Advanced topics in linear algebra. Oxford University Press, Oxford, 2011. Weaving matrix problems through the Weyr form.

[58]D. S. Passman. Filtrations in semisimple rings. Trans. Amer. Math. Soc., 357(12):5051–5066, 2005.

[59]D. S. Passman. Filtrations in semisimple Lie algebras, III. In Advances in ring theory, Trends Math., pages 257–268. Birkhäuser/Springer Basel AG, Basel, 2010.

[60]J. Tits. Une classe d’algèbres de Lie en relation avec les algebres ¿e Jordan. Nederl. Akad. Wetensch. Proc. Ser. A 65 = Indag. Math., 24:530–535, 1962.

[61]E. I. Zelmanov. Prime Jordan algebras. II. Sibirsk. Mat. Zh., 24(1):89–104, 192, 1983.

[62]E. I. Zelmanov. Lie algebras with finite gradation. Mat. Sb. (N.S.), 124(166) (3) :353–392, 1984.