О верхних центральных рядах группы автоморфизмов и примитивных элементах свободных метабелевых алгебр Ли тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.06 ВАК РФ

На правах рукописи Кабанов Александр Николаевич

О верхних центральных рядах группы автоморфизмов и примитивных элементах свободных метабелевых алгебр Ли

01.01.06 - математическая логика, алгебра и теория чисел

1 О ДЕК 2009

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Омск, 2009

003487515

Работа выполнена в Омском государственном университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Романысов Виталий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Будкин Александр Иванович

кандидат физико-математических наук, доцент

Сосиовский Юрий Васильевич

Ведущая организация: Красноярский государственный

аграрный университет

Защита диссертации состоится 25 декабря 2009 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 003.015.02 при Институте математики им. С. Л. Соболева СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр. акад. Коптюга, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН.

Автореферат разослан 24 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук ^яскин

Общая характеристика работы

Постановка задачи и актуальность темы диссертации.

Исследование алгебр Ли и их автоморфизмов является классической задачей алгебры. Норвежский математик Софус Ли в конце XIX века впервые рассмотрел алгебры, названные потом его именем, в связи с теорией непрерывных групп преобразований. Основным результатом последней является сведение "локальных" задач, относящихся к группам Ли, к соответствующим задачам теории алгебр Ли, т. е. к задачам линейной алгебры. Каждой группе Ли сопоставляется алгебра Ли над полем вещественных и комплексных чисел, и устанавливается соответствие между аналитическими подгруппами группы Ли и подалгебрами ее алгебры Ли, при котором инвариантным подгруппам соответствуют идеалы, абелевым подгруппам - абе-левы подалгебры и т.д. Изоморфизм алгебр Ли эквивалентен локальному изоморфизму соответствующих групп Ли.

Алгебры Ли прочно вошли в математику. Их теория благодаря вниманию многих выдающихся математиков обогатилась целым рядом тонких и красивых результатов, влияние которых простирается далеко за пределы алгебры. В современной математике алгебры Ли играют важнейшую роль и находят приложение почти в каждом ее разделе.

Основные теоремы о структуре алгебр Ли были получены одним из крупнейших математиков XX века Эли Картаном. В частности, в 1926 г. им была найдена классификация простых вещественных алгебр Ли.

Выполнение тех или иных тождеств является одним из наиболее существенных свойств алгебраических систем. Алгебры Ли с тождествами стали предметом исследования уже в самом начале развития теории этих алгебр. Значительная часть обычно изучаемых классов алгебр Ли выделяется по признаку выполнения (или невыполнения) некоторых тождеств. Таковы классы разрешимых, нильпотентных, свободных алгебр и некоторые другие. Многие из классических теорем теории алгебр Ли могут быть сформулированы на языке тождеств. Конечно, в случае таких теорем, как теорема Энгеля, Ли и других, подобная переформулировка является в известной мере формальной. Однако логика развития алгебры привела к задачам, в которых существенно именно наличие тождества в алгебре Ли. К числу наиболее важных примеров следует отнести цикл работ А. И. Кост-

рикина [10-12] по проблеме Бернсайда, где один из основных моментов - изучение колец Ли с тождеством энгелевости.

Именно ко времени написания этих работ (середина 50-х - начало 60-х) следует отнести начало изучения тождеств в алгебрах Ли. Фундаментом многих рассмотрений становятся работы А. И. Ширшова, доказавшего теорему о свободности подалгебр в свободных алгебрах Ли и давшего очень полезные конструкции линейных базисов в свободных алгебрах Ли [22-24]. Л. А. Бокуть изучал полинильпотентные алгебры Ли [6]. В. Н. Латышев ввел в рассмотрение стандартные тождества в алгебрах Ли и исследовал специальные алгебры Ли [13-14]. А. Л. Шмелькин применил методы теории алгебр Ли для изучения многообразий групп [21]. Важное тождество энгелевости изучали также П. Кон [28] и П. Хиггинс [33].

Следующий этап в развитии теории тождеств в алгебрах Ли -изучение систем тождеств вне зависимости от их конкретного вида, а также изучение многообразий алгебр Ли, т. е. классов алгебр Ли, определенных системами тождеств, - начался в конце 60-х - начале 70-х годов. Этот этап был в значительной мере подготовлен развитием теории многообразий групп. Поэтому сначала теория многообразий алгебр Ли как бы "догоняла" теорию многообразий групп. Так появился пример многообразия алгебр Ли без конечного базиса тождеств над полем характеристики 2, была доказана свободность полугруппы многообразий алгебр Ли над бесконечным полем относительно операции умножения, получены многие другие аналоги теоретико-групповых результатов в случае бесконечного поля [2-4, 15, 44].

Довольно скоро, однако, выявилось значительное своеобразие теории многообразий алгебр Ли. Например, в отличие от многообразий групп, в случае конечного поля операция умножения многообразия алгебр Ли уже не обязана быть ассоциативной [4]. Произведение конечно базируемых многообразий алгебр Ли над бесконечным полем всегда конечно базируемо [4]. По-иному ведут себя многообразия алгебр Ли и при рассмотрении решеток их подмногообразий [20], и при нахождении их базисного и аксиоматического рангов [26]. Эти и ряд других результатов привели к тому, что проблематика и методы теории многообразий алгебр Ли приобрели достаточно отчетливые очертания и интересную специфику.

Один из простейших классов многообразий алгебр Ли - разрешимые ступени 2, или метабелевы многообразия.

Некоторые начальные сведения о теории метабелевых алгебр Ли можно посмотреть в работах В. А. Артамонова [1, 25] и Ю. А. Бахту-рина [5].

В работе В. А. Романькова, И. В. Чиркова и М. А. Шевелина [17] была установлена матричная непредставимость групп автоморфизмов свободных алгебр Ли, свободных ассоциативных алгебр, абсолютно свободных алгебр и алгебр многочленов при условии, что ранг алгебры не меньше четырех, а основное поле имеет характеристику 0. Во всех указанных случаях в группе автоморфизмов выделялась подгруппа унитреугольных автоморфизмов, которая оказывалась разрешимой, но не представимой матрицами.

В статье 10. В. Сосновского [18] описывалось гиперцентральное строение этой подгруппы, но только для алгебры многочленов, зато без ограничения на характеристику поля и с понижением минимального числа порождающих с 4 до 3.

В диссертации описывается гиперцентральная структура группы унитреугольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли ранга п над полем произвольной характеристики. Как следствие из описания гиперцентрального строения получается матричная непредставимость группы унитреугольных автоморфизмов ни над каким полем.

Напомним, что автоморфизм свободной алгебры называется элементарным, если каждый элемент х1 множества свободных порождающих этой алгебры под действием этого автоморфизма переходит в элемент оа( + и., где а - элемент поля, над которым рассматривается алгебра, а элемент м1 не зависит от порождающего х/.

Автоморфизм, принадлежащий подгруппе, порожденной всеми элементарными автоморфизмами, называется ручным. В противном случае он называется неручным или диким.

В 1954 г. Кон [29] доказал, что все автоморфизмы свободной алгебры Ли являются ручными. Хорошо известно [30, 34, 35, 36], что группы автоморфизмов свободной ассоциативной алгебры А2 (индекс обозначает ранг, то есть мощность множества свободных порождающих) и алгебры многочленов Р2 над любым полем состоят только из ручных автоморфизмов.

В 1972 г. Нагата [37] предположил, что ставший в последствии известным автоморфизм

2 2 2 <r = (xl + (хх -Х2Х3)Х3,Х2 +2(Xj - х2 Л", )лг, +(дг, ~Х2Х3)2Х3,Х3)

алгебры многочленов Р3 = Kfx/,x2,xsj является неручным, если поле К имеет характеристику 0.

И. П. Шестаков и У. У. Умирбаев [19, 40, 41], используя метод скобок Пуассона, ограничение степени и слабую редукцию, доказали, что автоморфизм Нагаты сг действительно неручной.

В случае свободной ассоциативной алгебры ранга 3 вопрос о существовании диких автоморфизмов известен как проблема Кона. У. У. Умирбаев [43] доказал, что так называемый автоморфизм Аника

свободной ассоциативной алгебры А3-К{х1,х2,х3) над полем ^характеристики 0 является диким.

В случае свободных метабелевых алгебр Ли М„ ранга п, п > 2, кроме ручных автоморфизмов выделяется естественная подгруппа Inn М„ так называемых внутренних автоморфизмов, аналог сопряжений в группах. Автоморфизм fx е Inn М„ задается как

м = ц{и) = (х, + [х, ,и],д:2 + [х2 ,и ],..., х„ + [х„,м]),

где и е М'„. В. А. Артамонов [25] доказал, что AutA/2 =TAutA/2 1ппМ2. Легко видеть, что группа ТАи\М2 изоморфна группе GL2(K), а любой автоморфизм (р е TAutA/2 взаимно однозначно соответствует невырожденной линейной замене {дг,,х2}. Итак, А\ЛМг изоморфна GL2(K)-(M2,+) и очевидным образом содержит неручные автоморфизмы. Ю. А. Бахтурин и С. Набиев [27] установили подобным же образом наличие неручных автоморфизмов в группе AutМ„ при любом п > 3.

Однако, по существу, внутренние автоморфизмы из Inn М„ в силу их простоты следует также считать ручными. Если придерживаться

этой точки зрения, то естественно возникает вопрос о наличии в группах АщМ„, п> 3, автоморфизмов, не принадлежащих подгруппе, порожденной всеми ручными и всеми внутренними автоморфизмами. Назовем автоморфизмы вне указанной подгруппы строго неручными.

В. А. Романьков [38] доказал, что строго неручные автоморфизмы существуют в группе АхЛМз при любом поле К. Он указал способ массового построения таких автоморфизмов. Кроме того, в работе [38] установлен ряд существенно более сильных утверждений, касающихся структуры группы АЩМ?. Из анонсированного В. А. Ро-маньковым утверждения [16] о порождающих элементах группы АщА/„, п > 4, следует, что при п > 4 строго неручных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли не существует.

В диссертации для свободной метабелевой алгебры Ли ранга 3 рассматривается подгруппа автоморфизмов, тождественных на линейной части. Устанавливается, что в этой подгруппе существуют строго неручные автоморфизмы. Доказывается, что в данной алгебре существует строго неручной примитивный элемент.

Скрученная сопряженность и ее классы эквивалентности в конечно порожденных нильпотентных алгебрах Ли является аналогом хорошо известного отношения в теории групп. Имеется целый ряд работ, в которых изучаются алгоритмические аспекты и структура классов сопряженных элементов (см., например, [7,31, 32,39,42]).

В данной работе вычислено число Райдемайстера для произвольной пары эндоморфизмов конечно порожденной нильпотентной алгебры Ли над произвольным полем, допускающим эффективные вычисления.

Цель работы.

Основной целью настоящей диссертации является исследование вопроса о наличии в свободной метабелевой алгебре Ли ранга 3 над произвольным полем строго неручных примитивных элементов и исследование гиперцентрального ряда группы унитреугольных автоморфизмов для свободных метабелевых алгебр Ли произвольного ранга над произвольным полем. Кроме того, в работе исследуется проблема скрученной сопряженности и ее классы эквивалентности в конечно порожденных нильпотентных алгебрах Ли над полем, допускающим эффективные вычисления.

Научная новизна.

Все результаты диссертации являются новыми, носят теоретический характер и могут найти применение в дальнейших исследованиях алгебр Ли.

Методы исследования.

Методы, используемые автором для доказательства результатов, опираются на теорию групп, линейную алгебру.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации докладывались на алгебраическом семинаре кафедры алгебры Омского государственного университета, были представлены на Международной конференции по алгебре и математической логике "Мальцевские чтения" (Новосибирск, 2007 г.).

Публикации.

Результаты диссертации опубликованы в работах [45-48]. Работа [48] выполнена в нераздельном соавторстве с В. А. Романьковым.

Структура диссертации.

Диссертация содержит 59 страниц, состоит из оглавления, введения, четырех глав и списка литературы, который включает 53 наименования.

Содержание диссертации

В первой главе приводятся основные определения и сведения, которые понадобятся в дальнейшем.

В первом параграфе первой главы приводятся необходимые сведения о метабелевых алгебрах Ли. Во втором параграфе вводятся понятия унитреугольных автоморфизмов, 1А-автоморфзимов, внутренних, ручных и строго ручных автоморфизмов, понятие скрученной сопряженности элементов алгебры Ли относительно эндоморфизмов этой алгебры. В третьем параграфе дается определение гиперцентральной серии группы и точного представления группы матрицами над некоторым полем. В четвертом параграфе приводится понятие дифференцирований Фокса и их свойства.

Во второй главе доказывается, что группа унитреугольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли ранга п над полем произвольной характеристики гиперцентральна длины (п - 2)со + п - 2, и дается описание строения гиперцентральной серии.

Пусть Мп - свободная метабелева алгебра Ли над полем К произвольной характеристики с множеством свободных порождающих Х„ = {*/, ..., х,,}. Будем считать, что на Х„ определена линейная упорядоченность: х1 <х2 <... < х„. Хорошо известно, что базис метабелевой алгебры М„ состоит из всевозможных одночленов вида

Введем на алгебре М„ функцию ц : Мп —» Z, полагая fi{h) = /у для базисного одночлена h = [[...[x„_t ,хпЧ ],...],хп_, ]. Максимум /<показателей одночленов, входящих в состав нормальной записи многочлена, будем называть ¿/-показателем этого многочлена.

Кроме того, введем функцию Л : Мп -» Z, положив для одночлена указанного вида X(h) = it + ... + ik. Аналогично Я-показателем многочлена будем называть максимум ¿-показателей его одночленов, а ¿¿-показателем - максимум Я-показателей одночленов, для которых ц-показатель равен к.

Выделим в группе U„ следующие подгруппы:

Z] -{<р = (*, +/„х2,...,х.) | //(/,)< 1, Д(/,) < 1, M.KJ,)) = 0>. Za = {<з = (х, +/!,дг2,...,хи)|//(/1)<1,Л(/1)<а}, 1<а<а>, Za={9 = (*| + А >■*2 »«.,*„ ) I М(А ) ^ !}'

l(fJ) = 0,\<i<k~l,j>l}, 1 < /с < л - 2,

Z(k-\)«,+a = i<P = С*1 + А *t + Л ' *t+l ) I Ж) £ к - i + 1,

Лы+i СУ/ ) ^ Л: — / ч- or, l(fj )-Q,\<;i<k~\,j>\}, \<k<n-2, Z(n-2)a = {? = (*! +/1.-.V2 + Л-2 I '(/y ) = 0> / > I},

Z(„-2)âi+a ={(P = (Xl + f\i-">Xn-2 + fn-2>Xn-\>Xn)\

fiQ(J, )) <or +1 - /,/(/,) = 0,1 < / < a + 2,; > a + 2}, 1 < a < и - 2, где fi - произвольные многочлены алгебры Л/„ от указанных переменных.

Теорема 1. При и > 3 группа унитреугольных автоморфизмов 1!„ свободной метабелевой алгебры Ли гиперцентральна длины (п - 2)а> + п - 2 и члены ее гиперцентрального ряда ¿¡а{ип) совпадают с подгруппами 2а, 1 <а<(п- 2 )со + п- 2.

В первом параграфе второй главы приводится доказательство утверждения этой теоремы в случае а = 1. Во втором параграфе утверждение теоремы доказывается для всех остальных а. В третьем параграфе как следствие теоремы 1 доказывается

Теорема 2. При п > 4 группа унитреугольных автоморфизмов С/„ свободной метабелевой алгебры Ли не представима матрицами ни над каким полем.

В третьей главе исследуется вопрос о строго неручных примитивных элементах свободной метабелевой алгебры Ли ранга 3.

Рассматриваются 1А-автоморфизмы (автоморфизмы, тождественные на линейной части) свободной метабелевой алгебры М, ранга 3, т. е. автоморфизмы, индуцирующие тождественное отображение на алгебре Мъ/М'3,гце М'ъ =[М3,МЪ].

В первом параграфе рассматриваются 1А-эндоморфизмы и их матрицы Якоби. Во втором параграфе доказываются вспомогательные леммы о соотношениях между 1А-автоморфизмами и матрицами, полученными из их матриц Якоби.

В третьем параграфе доказывается, что в 1Ат Мъ существуют строго неручные автоморфизмы. Доказывается

Теорема 3. Пусть (р е 1АШ М3 - неручной автоморфизм. Тогда элемент g = <з(х3) е М} — примитивный строго неручной.

В четвертой главе исследуется проблема скрученной сопряженности и ее классы эквивалентности в конечно порожденных нильпо-тентных алгебрах Ли над полем, допускающим эффективные вычисления. Последнее подразумевает алгоритмическую разрешимость систем линейных уравнений над полем, в частности - вычисление базиса подпространства, порожденного данной системой элементов.

Пусть Ь — алгебра Ли над произвольным полем. Говорят, что элементы /,£ е Ь скрученно сопряжены относительно эндоморфизмов <р,у/еЕпс1Ь, если существует такой элемент х&Ь, что

Скрученная сопряженность является отношением эквивалентности. Через обозначим число классов ф,\|/ - эквивалентности, называемое числом Райдемайстера.

В первом параграфе доказывается

Теорема 4. Пусть N - линейное пространство конечной размерности к над полем Р, допускающим эффективные вычисления. Тогда в случае бесконечного поля Г число классов эквивалентности К((р,у) для произвольной пары эндоморфизмов <р,у; е Епс! N равно

1, либо ад . В случае, если = рг, р - простое число, число К{р,ч/) равно рИг~з), где .у - размерность образа 1т(<р -1//) разности эндоморфизмов (р - у/. В данном случае классы <р, ц/ - эквивалентности совпадают со смежными классами пространства N по образу \т{<р-ц/).

Во втором параграфе доказывается аналогичная теорема для произвольного случая:

Теорема 5. Пусть N - произвольная конечно порожденная ниль-потентная алгебра Ли над полем К, допускающим эффективные вычисления. Тогда в случае бесконечного поля Р число классов эквивалентности Я(<р, <//) для произвольной пары эндоморфизмов

<р,ц/ еЕпс1Ы равно I либо °о. В случае, если |= рг, р - простое

число, число Я(<р,у/) равно рк<-г-"'>, где к~ размерность алгебры 5

- размерность образа 1т(р - ц/) разности эндоморфизмов <р - ц/.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору В. А. Романькову за постановку задач, внимание к работе и постоянную и разностороннюю помощь в ходе подготовки диссертации.

Список литературы

1. Артамонов В. А. Проективные метабелевы алгебры Ли конечного ранга // Изв. АН СССР. Сер. мат., 1972, т. 36, с. 510-522.

2. Бахтурин Ю. А. Два замечания о многообразиях алгебр Ли // Матем. заметки, 1968, т. 4, № 4, с. 387-398.

3. Бахтурин Ю. А. О тождествах в алгебрах Ли, I // Вестник МГУ: Матем., мех., 1973, № 1,с. 12-18.

4. Бахтурин Ю. А. О тождествах в алгебрах Ли, II // Вестник МГУ: Матем., мех., 1973, № 2, с. 26-33.

5. Бахтурин Ю. А. Тождества в алгебрах Ли. - М.: Наука, 1985.

6. Бокуть Л. А. База свободных полинилытотентных алгебр Ли И Алгебра и логика, 1963, т. 2, № 4, с. 13-20.

7. Вентура Э., Романьков В.А. Проблема скрученной сопряженности в метабелевых группах // Алгебра и логика, т. 48, № 2, с. 157-173.

8. Джекобсон Н. Алгебры Ли. - М.: Мир, 1964.

9. Кантор И. Л., Солодовников А. С. Гиперкомгшексные числа. -М.: Наука 1973 г.

10. Кострикин А. И. Кольца Ли, удовлетворяющие условию Эн-геля//ИАН СССР: Сер. матем., 1957, т. 21, с. 515-540.

11. Кострикин А. И. О проблеме Бернсайда. // ИАН СССР: Сер. матем., 1959, т. 23, с. 3-34.

12. Кострикин А. И. О связи между периодическими группами и кольцами Ли // ИАН СССР: Сер. матем., 1957, т. 21, с. 289-310.

13. Латышев В. Н. Алгебры с тождественными определяющими соотношениями // Сиб. матем. ж,, 1963, т. 4, с. 821-829.

14. Латышев В. Н. Два замечания о /Y-алгебрах // Сиб. матем. ж., 1963, т. 4, с. 1120-1121.

15. Парфенов В. А. О многообразиях Ли // Алгебра и логика, 1967, т. 6, №4, с. 61-73.

16. Романьков В. А. Группы автоморфизмов свободных метабелевых алгебр Ли // Междунар. конф. "Алгебра и ее приложения": Тез. докл. Красноярск, 12-18 авг. 2007 г. Сиб. фед. ун-т. Новосибирск: ИМ СОР АН, ИВМ СОРАН, 2007, с. 114-115.

17. Романьков В. А., Чирков И. В., Шевелин М. А. Матричная непредставимость групп автоморфизмов некоторых свободных алгебр // Сиб. мат. ж. 2004, т. 45, № 5, с. 1184-1188.

18. Сосновский Ю. В. Описание гиперцентрального строения группы унитреугольных автоморфизмов алгебры многочленов // Сиб. мат. ж. 2007, т. 48, № 3, с. 689-693.

19. Умирбаев У. У., Шестаков И. П. Подалгебры и автоморфизмы колец многочленов // Докл. РАН, 2002, т. 386, № 6, с. 745-748.

20. Шеина Г. В. Многообразия метабелевых Л-алгебр Ли, II // Вестник МГУ: Матем., мех., 1978, № 3, с. 52-59.

21. Шмелышн A. JT. Свободные полинильпотентные группы // ИАН СССР: Сер. матем., 1964, т. 28, с. 91-122.

22. Ширшов А. И. О базах свободных алгебр Ли // Алгебра и логика, 1962, т. 1,№ 1,с. 14-19.

23. Ширшов А. И. О свободных кольцах Ли // Матеем. сб., 1958, т. 45, с. 113-122.

24. Ширшов А. И. Подалгебры свободных алгебр Ли // Матеем. сб., 1953, т. 33, с. 441-452.

25. Artamonov V. A. The categories of free metabelian groups and Lie algebras // Comment. Math. Univ. Carolin, 1977, v. 18, № 1, p. 142-159.

26. Bahturin Y. On identical relations in free polynilpotent Lie algebras //J. London. Math. Soc., 1980, v. 20, p. 39-52.

27. Bahturin Y. A., Nabijev S. Authomorphisms and derivations of Abelian Extensions of some Lie algebras // Abh. Math. Sem. Univ. Hamburg, 1992, v. 62, p. 43-57

28. Cohn P. M. A non-nilpotent Lie ring satisfying the Engel condition and a non-nilpotent Engel group // Proc. Cambridge Phil. Soc.: Math, and Phys. Sei., 1955, v. 51, № 3, p. 401-405.

29. Cohn P. M. Subalgebras of free associative algebras // Proc. London Math. Soc., 1964, v. 56, p. 618-632.

30. Czerniakiewicz A. G. Automorphisms of a free associative algebra of rank 2. I, II // Trans. Amer. Math. Soc., 1971, v. 160, p. 393-401; 1972, v. 171, p. 309-315.

31. Fel'shtyn A., Gon9alves D., Wong P. Twisted conjugacy classes for poly free groups //arXiv:0802.2937v2 [math.GR], 2008.

32. Goncalves D., Wong P. Twisted conjugacy classes in exponential growth groups // Bull. London Math. Soc. 2003. v. 35. № 2. P. 261-268.

33. Higgins P. J. Lie rings satisfying the Engel condition // Proc. Cambridge Phil. Soc.: Math, and Phys. Sei., 1954, v. 50, p. 8-15.

34. Jung H. W. E. Uber ganze birationale Transformationen der Ebene Hi. Reine Angew. Math., 1942, Bd 184, S. 161-174.

35. Kulk, W. van der. On polynomial rings in two variables // Nieuw Arch. Wised. (5), 1953, Bd 3, № 1, S. 33-41.

36. Makar-Limanov L. The automorphisms of the free algebra of two generators // Funct. Anal. Appl., 1970, v. 4, № 3, p. 262-263.

37. Nagata M. On the automorphism group of jv] // Kinokuniya, Tokio, Kyoto Univ., 1972 (Lect. in Math.)

38. Roman'kov V. On the automorphism group of a free metabelian Lie algebra//Int. J. Algebra Comput., 2008, v. 18, № 2, p. 209-226.

39. Romankov V., Ventura E. Twisted conjugacy in nilpotent groups // В печати.

40. Shestakov I. P., Umirbaev U. U. The Nagata automorphism is wild // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2003, v. 100, № 22, p. 12561-12563.

41. Shestakov I. P., Umirbaev U. U. The tame and the wild automorphisms of rings of polynomials in three variables // J. Amer. Math. Soc., 2004, № 17, p. 197-227.

42. Taback J., Wong P. The geometry of twisted conjugacy classes in wreath products // arXiv:0805.1371v2 [math.GR], 2008

43. Umirbaev U. U. Tame and wild automorphisms of polynomial algebras and free associative algebras // Bonn, 2004. (Preprint of MaxPlanck Institute fur Mathematik, MPIM: № 108).

44. Vaughan-Lee M. R. Varieties of Lie algebras // Quart. J. Math., 1970, v. 21, p. 297-308.

Работы автора по теме диссертации

45. Кабанов А. Н. Гиперцентральная структура группы унитре-угольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли // Вестник Омского университета, 2006, № 4, с. 13-14.

46. Кабанов А. Н. Гиперцентральная структура группы унитре-угольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли // Сиб. мат. ж., 2009, т. 50, № 2, с. 329-333.

47. Кабанов А. Н. О скрученной сопряженности элементов ниль-потентной алгебры Ли // Вестник Омского университета, 2009, № 2, с. 43-45.

48. Кабанов А. Н., Романьков В. А. Строго неручные примитивные элементы свободной метабелевой алгебры Ли ранга 3 // Сиб. мат. ж., 2009, т. 50, № 1, с. 82-95.

Подписано в печать 20.11.09. Формат бумаги 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 50 экз. Заказ 498.

Издательство Омского государственного университета 644077, Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет

Введение.

1. Основные определения и предварительные сведения.

1.1. Алгебры.

1.2. Автоморфизмы и эндоморфизмы.

1.3. Группы.

1.4. Дифференцирования Фокса.

2. Гиперцентральная структура группы унитреугольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли.

2.1. Центр группы унитреугольных автоморфизмов.

2.2. Верхние центральные ряды группы унитреугольных автоморфизмов.

2.3. Матричная представимость группы унитреугольных автоморфизмов.

3. Строго неручные примитивные элементы свободной метабелевой алгебры Ли ранга 3.

3.1. Матрицы Якоби IA-эндоморфизмов.

3.2. IA-автоморфизмы.

3.3. Примитивные строго неручные элементы.

4. О скрученной сопряженности элементов нильпотентных алгебр Ли.

4.1. Случай конечномерного линейного пространства.

4.2. Случай конечно порожденной нильпотентной алгебры Ли.

Основной целью настоящей диссертации является исследование вопроса о наличии в свободной метабелевой алгебре Ли ранга 3 над произвольным полем строго неручных примитивных элементов и исследование гиперцентрального ряда группы унитреугольных автоморфизмов для свободных метабелевых алгебр Ли произвольного ранга над произвольным полем. Кроме того, в работе исследуется проблема скрученной сопряженности и ее классы эквивалентности в конечно порожденных нильпотентных алгебрах Ли над полем, допускающим эффективные вычисления.

Исследование алгебр Ли и их автоморфизмов является классической задачей алгебры. Норвежский математик Софус Ли в конце XIX века впервые рассмотрел алгебры, названные потом его именем, в связи с теорией непрерывных групп преобразований. Основным результатом последней является сведение "локальных" задач, относящихся к группам Ли, к соответствующим задачам теории алгебр Ли, т. е. к задачам линейной алгебры. Каждой группе Ли сопоставляется алгебра Ли над полем вещественных и комплексных чисел, и устанавливается соответствие между аналитическими подгруппами группы Ли и подалгебрами ее алгебры Ли, при котором инвариантным подгруппам соответствуют идеалы, абелевым подгруппам - абелевы подалгебры и т.д. Изоморфизм алгебр Ли эквивалентен локальному изоморфизму соответствующих групп Ли.

Введение соответствующих алгебр Ли оказалось полезным при изучении двух других разделов теории групп. Первым из этих разделов является теория свободных групп, которую можно изучить при помощи свободных алгебр Ли, пользуясь методом, впервые предложенным Магнусом. Хотя эта связь не такая тесная, как в теории Ли, применение алгебр Ли привело к важным результатам относительно свободных групп и других классов абстрактных групп. В частности, необходимо отметить результаты по так называемой ослабленной проблеме Бернсайда: ограничены ли порядки конечных групп, имеющих фиксированное число г образующих и удовлетворяющих соотношению хт = 1, где т — фиксированное положительное целое число? Стоит указать, что важную роль в этих приложениях к теории абстрактных групп играют алгебры Ли простой характеристики [41, 44].

Тип соответствия между подгруппами группы Ли и подалгебрами ее алгебры Ли, который возник в теории Ли, имеет точный аналог в теории Шевалле линейных алгебраических групп. Линейная алгебраическая группа является, коротко говоря, подгруппой группы невырожденных квадратных матриц порядка и, определенной системой полиномиальных уравнений, которым удовлетворяют элементы этих матриц. Примером является ортогональная группа, определяемая системой уравнений Y. а* = 1, I

0j j^k, j,k = l,K,n относительно элементов а матрицы {atJ). I

Шевалле определил для каждой алгебраической группы соответствующую алгебру Ли [24], дающую полезную информацию о группе. Эта информация является исчерпывающей в теории линейных алгебраических групп над полем характеристики нуль.

Алгебры Ли прочно вошли в математику. Их теория благодаря вниманию многих выдающихся математиков обогатилась целым рядом тонких и красивых результатов, влияние которых простирается далеко за пределы алгебры. В современной математике алгебры Ли играют важнейшую роль и находят приложение почти в каждом ее разделе.

Основные теоремы о структуре алгебр Ли были получены одним из крупнейших математиков XX века Эли Картаном. В частности, в 1926 г. им была найдена классификация простых вещественных алгебр Ли.

Выполнение тех или иных тождеств является одним из наиболее существенных свойств алгебраических систем. Алгебры Ли с тождествами стали предметом исследования уже в самом начале развития теории этих алгебр. Значительная часть обычно изучаемых классов алгебр Ли выделяется по признаку выполнения (или невыполнения) некоторых тождеств. Таковы классы разрешимых, нильпотентных, свободных алгебр и некоторые другие. Недавние исследования показали, что простые алгебры Ли над алгебраически замкнутым полем определяются своими тождествами с точностью до изоморфизма. Многие из классических теорем теории алгебр Ли могут быть сформулированы на языке тождеств. Конечно, в случае таких теорем, как теорема Энгеля, Ли и других, подобная переформулировка является в известной мере формальной. Однако логика развития алгебры привела к задачам, в которых существенно именно наличие тождества в алгебре Ли. К числу наиболее важных примеров следует отнести цикл работ А. И. Кострикина [14-16] по проблеме Бернсайда, где один из основных моментов - изучение колец Ли с тождеством энгелевости.

Именно ко времени написания этих работ (середина 50-х — начало 60-х) следует отнести начало изучения тождеств в алгебрах Ли. Фундаментом многих рассмотрений становятся работы А. И. Ширшова, доказавшего теорему о свободности подалгебр в свободных алгебрах Ли и давшего очень полезные конструкции линейных базисов в свободных алгебрах Ли [27-29]. Л. А. Бокуть изучал полинильпотентные алгебры Ли [6]. В. Н. Латышев ввел в рассмотрение стандартные тождества в алгебрах Ли и исследовал специальные алгебры Ли [17-18]. А. Л. Шмелькин применил методы теории алгебр Ли для изучения многообразий групп [26]. Важное тождество энгелевости изучали также П. Кон [33] и П. Хиггинс [40].

Следующий этап в развитии теории тождеств в алгебрах Ли - изучение систем тождеств вне зависимости от их конкретного вида, а также изучение многообразий алгебр Ли, т. е. классов алгебр Ли, определенных системами тождеств, - начался в конце 60-х - начале 70-х годов. Этот этап был в значительной мере подготовлен развитием теории многообразий групп. Поэтому сначала теория многообразий алгебр Ли как бы "догоняла" теорию многообразий групп. Так появился пример многообразия алгебр Ли без конечного базиса тождеств над полем характеристики 2, была доказана свободность полугруппы многообразий алгебр Ли над бесконечным полем относительно операции умножения, получены многие другие аналоги теоретико-групповых результатов в случае бесконечного поля [2-4, 19, 53].

Довольно скоро, однако, выявилось значительное своеобразие'теории многообразий алгебр Ли. Например, в отличие от многообразий групп, в случае конечного поля операция умножения многообразия алгебр Ли уже не обязана быть ассоциативной [4]. Произведение конечно базируемых многообразий алгебр Ли над бесконечным полем всегда конечно базируемо [4]. По-иному ведут себя многообразия алгебр Ли и при рассмотрении решеток их подмногообразий [25], и при нахождении их базисного и аксиоматического рангов [31]. Эти и ряд других результатов привели к тому, что проблематика и методы теории многообразий алгебр Ли приобрели достаточно отчетливые очертания и интересную специфику.

Один из простейших классов многообразий алгебр Ли - разрешимые ступени 2, или метабелевы многообразия.

Некоторые начальные сведения о теории метабелевых алгебр Ли можно, посмотреть в работах В. А. Артамонова [1, 30] и Ю. А. Бахтурина [5].

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе приводятся основные определения и сведения, которые понадобятся в дальнейшем.

Вторая глава посвящена описанию гиперцентральной структуры группы унитреугольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли над произвольным полем.

В работе В. А. Романькова, И. В. Чиркова и М. А. Шевелина [21] была установлена матричная непредставимость групп автоморфизмов свободных алгебр Ли, свободных ассоциативных алгебр, абсолютно свободных алгебр и алгебр многочленов при условии, что ранг алгебры не меньше четырех, а основное поле имеет характеристику 0. Во всех указанных случаях в группе автоморфизмов выделялась подгруппа унитреугольных автоморфизмов, которая оказывалась разрешимой, но не представимой матрицами.

В статье Ю. В. Сосновского [22] описывалось гиперцентральное строение этой подгруппы, но только для алгебры многочленов, зато без ограничения на характеристику поля и с понижением минимального числа порождающих с 4 до 3.

Во второй главе доказано, что группа унитреугольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли ранга п над полем произвольной характеристики гиперцентральна длины (п-2)а> + п-2. Дано описание строения гиперцентральной серии. Как следствие из описания гиперцентрального строения получается матричная непредставимость группы унитреугольных автоморфизмов ни над каким полем.

В третьей главе исследуется вопрос о строго неручных примитивных элементах свободной метабелевой алгебры Ли ранга 3.

Автоморфизм свободной алгебры называется элементарным, если каждый элемент х, множества свободных порождающих этой алгебры под действием этого автоморфизма переходит в элемент ох, + и,, где а - элемент поля, над которым рассматривается алгебра, а элемент ut не зависит от порождающего jc,.

Автоморфизм, принадлежащий подгруппе, порожденной всеми элементарными автоморфизмами, называется ручным. В противном случае он называется неручным или диким.

В 1954 г. Кон [34] доказал, что все автоморфизмы свободной алгебры Ли являются ручными. Хорошо известно [35, 42, 43, 45], что группы автоморфизмов свободной ассоциативной алгебры (индекс обозначает ранг, то есть мощность множества свободных порождающих) и алгебры многочленов Р2 над любым полем состоят только из ручных автоморфизмов.

В 1972 г. Нагата [46] предположил, что ставший в последствии известным автоморфизм а = (я, + (х, - х2х3 )х3,х, + 2(х, - х2х3 )х, + (х 1 Х2Х3 алгебры многочленов Р3 = К[х],х2,хз] является неручным, если поле К имеет характеристику 0.

И. П. Шестаков и У. У. Умирбаев [23, 49, 50], используя метод скобок Пуассона, ограничение степени и слабую редукцию, доказали, что автоморфизм Нагаты о* действительно неручной.

В случае свободной ассоциативной алгебры ранга 3 вопрос о существовании диких автоморфизмов известен как проблема Кона. У. У. Умирбаев [52] доказал, что так называемый автоморфизм Аника

8 = (х, + х3 (х,х3 - х3х2), х2 + (х свободной ассоциативной алгебры А3 = \К(х,,х2,х3) над полем К характеристики 0 является диким.

В случае свободных метабелевых алгебр Ли Мп ранга п, п > 2, кроме ручных автоморфизмов выделяется естественная подгруппа Inn Мп так называемых внутренних автоморфизмов, аналог сопряжений в группах. Автоморфизм jn е Inn Мп задается как ju = /u(u) = (xl +[х,,м],х2 + [х2,и],.,хп+[хп,и]), где иеМ'п. В. А. Артамонов [30] доказал, что AutM2 = TAutM2 -InnM2. Легко видеть, что группа TAutM2 изоморфна группе GL2(K), а любой автоморфизм q> е TAut М2 взаимно однозначно соответствует невырожденной линейной замене {х,,х2}. Итак, Aut М2 изоморфна GL2 (К) • (М2,+) и очевидным образом содержит неручные автоморфизмы. Ю. А. Бахтурин и С. Набиев [32] установили подобным же образом наличие неручных автоморфизмов в группе AutMn при любом п> 3.

Однако, по существу, внутренние автоморфизмы из Inn Мп в силу их простоты следует также считать ручными. Если придерживаться этой точки зрения, то естественно возникает вопрос о наличии в группах AutMn, п> 3, автоморфизмов, не принадлежащих подгруппе, порожденной всеми ручными и всеми внутренними автоморфизмами. Назовем автоморфизмы вне указанной подгруппы строго неручными.

В. А. Романьков [47] доказал, что строго неручные автоморфизмы существуют в группе Aut М2 при любом поле К. Он указал способ массового построения таких автоморфизмов. Кроме того, в работе [47] установлен ряд существенно более сильных утверждений, касающихся структуры группы AutМ3. Из анонсированного В. А. Романьковым утверждения [20] о порождающих элементах группы AutM,,, п > 4, следует, что при п> А строго неручных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли не существует.

В третьей главе для свободной метабелевой алгебры Ли ранга 3 рассматривается подгруппа автоморфизмов, тождественных на линейной части. Устанавливается, что в этой подгруппе существуют строго неручные автоморфизмы. Доказывается, что в данной алгебре существует строго неручной примитивный элемент.

В четвертой главе исследуется проблема скрученной сопряженности и ее классы эквивалентности в конечно порожденных нильпотентных алгебрах Ли над полем, допускающим эффективные вычисления. Последнее подразумевает алгоритмическую разрешимость систем линейных уравнений над полем, в частности — вычисление базиса подпространства, порожденного данной системой элементов.

Это понятие является аналогом хорошо известного отношения в теории групп. Имеется целый ряд работ, в которых изучаются алгоритмические аспекты и структура классов сопряженных элементов (см., например, [7, 36, 38, 48,51]).

В данной работе вычислено число Райдемайстера для произвольной пары эндоморфизмов конечно порожденной нильпотентной алгебры Ли над произвольным полем, допускающим эффективные вычисления.

Все результаты диссертации являются новыми, носят теоретический характер и могут найти применение в дальнейших исследованиях алгебр Ли.

Основные результаты диссертации докладывались на алгебраическом семинаре кафедры алгебры Омского государственного университета, были представлены на Международной конференции по алгебре и математической логике "Мальцевские чтения" (Новосибирск, 2007 г.). По теме диссертации опубликованы работы [9-12]. Работа [12] выполнена в нераздельном соавторстве с В. А. Романьковым.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору В. А. Романькову за постановку задач, внимание к работе и постоянную и разностороннюю помощь в ходе подготовки диссертации.

1. Артамонов В. А. Проективные метабелевы алгебры Ли конечного ранга // Изв. АН СССР. Сер. мат., 1972, т. 36, с. 510-522.

2. Бахтурин Ю. А. Два замечания о многообразиях алгебр Ли // Матем. заметки, 1968, 4, № 4, с. 387-398.

3. Бахтурин Ю. А. О тождествах в алгебрах Ли, I // Вестник МГУ: Матем., мех., 1973, № 1, с. 12-18.

4. Бахтурин Ю. А. О тождествах в алгебрах Ли, II // Вестник МГУ: Матем., мех., 1973, № 2, с. 26-33.

5. Бахтурин Ю. А. Тождества в алгебрах Ли. М.: Наука, 1985.

6. Бокуть Л. А. База свободных полинильпотентных алгебр Ли // Алгебра и логика, 1963, 2, № 4, с. 13-20.

7. Вентура Э., Романьков В.А. Проблема скрученной сопряженности в метабелевых группах // Алгебра и логика, т. 48, № 2, с. 157-173.

8. Джекобсон Н. Алгебры Ли. М.: Мир, 1964.

9. Кабанов А. Н. Гиперцентральная структура группы унитреугольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли // Вестник Омского университета, 2006, № 4, с. 13-14.

10. Кабанов А. Н. Гиперцентральная структура группы унитреугольных автоморфизмов свободной метабелевой алгебры Ли // Сиб. мат. ж., 2009, т. 50, № 2, с. 329-333.

11. Кабанов А. Н. О скрученной сопряженности элементов нильпотентной алгебры Ли // Вестник Омского университета, 2009, № 2, с. 43-45.

12. Кабанов А. Н., Романьков В. А. Строго неручные примитивные элементы свободной метабелевой алгебры Ли ранга 3 // Сиб. мат. ж., 2009, т. 50, №1, с. 82-95.

13. Кантор И. Л., Солодовников А. С. Гиперкомплексные числа. М.: Наука, 1973.

14. Кострикин А. И. Кольца Ли, удовлетворяющие условию Энгеля // ИАН СССР: Сер. матем., 1957, 21, с. 515-540.

15. Кострикин А. И. О проблеме Бернсайда // ИАН СССР: Сер. матем., 1959, 23, с. 3-34.

16. Кострикин А. И. О связи между периодическими группами и кольцами Ли // ИАН СССР: Сер. матем., 1957, 21, с. 289-310.

17. Латышев В. Н. Алгебры с тождественными определяющими соотношениями // Сиб. матем. ж., 1963, т. 4, с. 821-829.

18. Латышев В. Н. Два замечания о PI-алгебрах // Сиб. матем. ж., 1963, т. 4, с. 1120-1121.

19. Парфенов В. А. О многообразиях Ли // Алгебра и логика, 1967, т. 6, № 4, с. 61-73.

20. Романьков В. А. Группы автоморфизмов свободных метабелевых алгебр Ли // Междунар. конф. "Алгебра и ее приложения": Тез. докл. Красноярск, 12-18 авг. 2007 г. Сиб. фед. ун-т. Новосибирск: ИМ СОР АН, ИВМ СОРАН, 2007, с. 114-115.

21. Романьков В. А., Чирков И. В., Шевелин М. А. Матричная непредставимость групп автоморфизмов некоторых свободных алгебр // Сиб. мат. ж., 2004, т. 45, № 5, с. 1184-1188.

22. Сосновский Ю. В. Описание гиперцентрального строения группы унитреугольных автоморфизмов алгебры многочленов // Сиб. мат. ж., 2007, т. 48, № 3, с. 689-693.

23. Умирбаев У. У., Шестаков И. П. Подалгебры и автоморфизмы колец многочленов // Докл. РАН, 2002, т. 386, № 6, с. 745-748.

24. Шевалле К. Теория групп Ли, т. 2: Алгебраические группы. -М.:ИЛ, 1958.

25. Шеина Г. В. Многообразия метабелевых А-алгебр Ли, II // Вестник МГУ: Матем., мех., 1978, № 3, с. 52-59.

26. Шмелькин А. Л. Свободные полинильпотентные группы // ИАН СССР: Сер. матем., 1964, т. 28, с. 91-122.

27. Ширшов А. И. О базах свободных алгебр Ли // Алгебра и логика, 1962, т. 1,№ 1,с. 14-19.

28. Ширшов А. И. О свободных кольцах Ли // Матеем. сб., 1958, т. 45, с. 113-122.

29. Ширшов А. И. Подалгебры свободных алгебр Ли // Матеем. сб., 1953, т. 33, с. 441-452.

30. Artamonov V. A. The categories of free metabelian groups and Lie algebras // Comment. Math. Univ. Carolin, 1977, v. 18, № 1, p. 142-159.

31. Bahturin Y. On identical relations in free polynilpotent Lie algebras // J. London. Math. Soc., 1980, v. 20, p. 39-52.

32. Bahturin Y. A., Nabijev S. Authomorphisms and derivations of Abelian Extensions of some Lie algebras // Abh. Math. Sem. Univ. Hamburg, 1992, v. 62, p. 43-57.

33. Cohn P. M. A non-nilpotent Lie ring satisfying the Engel condition and a non-nilpotent Engel group // Proc. Cambridge Phil. Soc.: Math, and Phys. Sci., 1955, v. 51, № 3, p. 401-405.

34. Cohn P. M. Subalgebras of free associative algebras // Proc. London Math. Soc., 1964, v. 56, p. 618-632.

35. Czerniakiewicz A. G. Automorphisms of a free associative algebra of rank 2. I, II // Trans. Amer. Math. Soc., 1971, v. 160, p. 393-401; 1972, v. 171, p. 309-315.

36. Fel'shtyn A., Gongalves D., Wong P. Twisted conjugacy classes for polyfree groups // arXiv:0802.2937v2 math.GR., 2008.

37. Fox R. H. Free differential calculus. I. Derivation in the free group ring // Ann. Math., 1953, v. 57, № 2, p. 547-560.

38. Goncalves D., Wong P. Twisted conjugacy classes in exponential growth groups // Bull. London Math. Soc, 2003, v. 35, № 2, p. 261-268.

39. Gruenberg K. W. The hypercenter of linear groups // J. Algebra, 1968, v. 8, № 1, p. 34-40.

40. Higgins P. J. Lie rings satisfying the Engel condition // Proc. Cambridge Phil. Soc.: Math, and Phys. Sci., 1954, v. 50, p. 8-15.

41. Higman G. Lie ring methods in the theory of finite nilpotent groups // Proc. of the International Congress of Mathematicians, Edinburgh, 1958, p. 307312.

42. Jung H. W. E. Uber ganze birationale Transformationen der Ebene // J. Reine Angew. Math., 1942, Bd 184, S. 161-174.

43. Kulk, W. van der. On polynomial rings in two variables // Nieuw Arch. Wised. (5), 1953, Bd 3, № 1, S. 33-41.

44. Lazard M. Sur les groupes nilpotents et les anneaux de Lie // Ann. scient Ecole norm. sup. ser. 3, 71 (1954), 101-190.

45. Makar-Limanov L. The automorphisms of the free algebra of two generators // Funct. Anal. Appl., 1970, v. 4, № 3, p. 262-263.

46. Nagata M. On the automorphism group of kx, y. // Kinokuniya, Tokio, Kyoto Univ., 1972 (Lect. in Math.)

47. Roman'kov V. On the automorphism group of a free metabelian Lie algebra // Int. J. Algebra Comput., 2008, v. 18, № 2, p. 209-226.

48. Romankov V., Ventura E. Twisted conjugacy in nilpotent groups // В печати.

49. Shestakov I. P., Umirbaev U. U. The Nagata automorphism is wild // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2003, v. 100, № 22, p. 12561-12563.

50. Shestakov I. P., Umirbaev U. U. The tame and the wild automorphisms of rings of polynomials in three variables // J. Amer. Math. Soc., 2004, № 17, p.

51. Taback J., Wong P. The geometry of twisted conjugacy classes in wreath products // arXiv:0805.1371v2 math.GR., 2008

52. Umirbaev U. U. Tame and wild automorphisms of polynomial algebras and free associative algebras // Bonn, 2004. (Preprint of Max-Planck Institute fur Mathematik, MPEM: № 108).

53. Vaughan-Lee M. R. Varieties of Lie algebras // Quart. J. Math., 1970, v. 21, p. 297-308.197.227.