本文约定基域$ \mathbb{F} $的特征$ p>2 $. 令$ \mathbb{Z}_{2} = \{\bar{0}, \bar{1}\} $. 域$ \mathbb{F} $上向量空间$ V $, 连同它的值和分解$ V = V_{\bar{0}}\oplus V_{\bar{1}} $称为一个$ \mathbb{Z}_{2} $-阶化空间. 若$ v\in V_{\theta} $, 其中$ \theta\in\mathbb{Z}_{2} $, 则称$ v $为$ \mathbb{Z}_{2} $- 齐次元素, 用$ |v| $表示$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次元素的次数. 为方便, 如果符号$ |v| $出现, 那么约定$ v $是$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次元素. 若$ V $的一组基为$ v_{1}, \dots, v_{n} $, 则可记为$ V: = \langle v_{1}, \dots, v_{n}\rangle $. 用$ \mathrm{hg}(V) $表示$ \mathbb{Z}_{2} $-阶化空间$ V $的所有$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次元素的集合. 设$ L $是李超代数, $ M $为$ L $-模. 称$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次线性映射$ \varphi: L\longrightarrow M $为次数为$ |\varphi| $的齐次导子, 如果
令$ \mathrm{Der}(L, M) $为$ L $到$ M $的所有$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次导子张成的向量空间, 称该空间中的元素为导子. 对于$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次元素$ m\in M $, 令
那么$ {{\frak{D}}}_m $是次数为$ |m| $的$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次导子. 令$ \mathrm{Ider}(L, M) $为由$ \{{{\frak{D}}}_m\mid m\in \mathrm{hg}(M)\} $张成的向量空间, 称该空间中的元素为内导子. 令$ \frak{h} $为$ L_{\bar{0}} $的Cartan子代数. 设$ L $与$ M $都有关于$ \frak{h} $的权空间分解: $ L = \oplus _{\gamma \in \frak{h}^*}L_{\gamma}, \quad M = \oplus _{\gamma \in \frak{h}^*}M_{\gamma}. $令
称$ \mathrm{Hom}_{\mathbb{F}}(L, M)_{(0)} $与$ \mathrm{Der}(L, M)_{(0)} $中元素分别为关于$ \frak{h} $的权映射与权导子. 那么
这个结论可参见文献[1, Lemma 3.2] 或[2, Lemma 2.1]. 值得注意的是, $ L $到$ M $的一阶上同调
(1.1) 与(1.2)得到, 计算一阶上同调可以先计算权导子空间. 本文目的在于决定Witt型模李超代数$ W(2) $到其Kac模$ K(\lambda) $的权导子空间, 取得下面主要结论, 其对刻画$ W(2) $的一阶上同调具有重要意义.
定理1 当$ \lambda = 0 $时, $ W(2) $到Kac模$ K(\lambda) $的权导子空间是一维的, 否则权导子空间是零维的.
本文研究的$ W(2) $属于Cartan型模李超代数的范畴, 具体地说, $ W(2) $是一类Witt型模李超代数. 1986年, 沈光宇老师对这类代数的阶化模做了研究[4]; 2007年, 刘文德老师和张永正老师对其导子代数做了研究[5]; 2010年, 舒斌老师和张朝文老师对其限制表示做了研究, 并且定义了Kac模[6]. 李超代数的上同调是重要的研究课题, 其定义可追溯到D. A. Leites在1975年发表的文章[7]. 2014年, 孙丽萍老师、刘文德老师和吴勃英老师利用权空间分解的方法, 刻画了在特征大于2的代数闭域上, $ \mathfrak{sl}(m, n) $到Cartan型李超代数$ W $和$ S $的低阶上同调, 并且指出这一计算结果与特征零的情形不同[8].
本节简要介绍一下本文所用到的定义, 符号以及一些基本的模作用关系等.
定义2.1 [3] 设$ \Lambda(n) $是由$ x_{1}, x_{2}, \cdots x_{n} $生成的外代数. 定义
其中$ \partial_{i} $是$ \Lambda(n) $的导子, 且满足$ \partial_{i}(x_{i}) = \delta_{ij}, \forall i, j\in\{1, 2, \cdots n\} $, 这里$ \delta_{ij} $是Kronecker符号. 约定$ |\partial_{i}| = |x_{i}| = \bar{1}, \forall1\leq i\leq n $, 且
其中$ f\partial_{i}, g\partial_{j}\in W(n) $. 那么$ W(n) $构成一个限制李超代数, 称之为秩$ n $的Witt型李超代数.
下文主要研究$ W(2) $及其Kac模的结构. 取$ W(2) $的一组基:
设
令$ \frak{h} $为$ h_{1}, h_{2} $张成的子空间, 则$ \frak{h} $为$ W(2)_{\bar{0}} $的Cartan子代数. 用$ \eta_{1}, \eta_2 $表示$ h_1, h_2 $的对偶基, 即
为方便, 下文用$ \frak{g} $表示$ W(2) $. 令$ x_i $与$ \partial_{i} $的$ \mathbb{Z} $-次数分别为$ 1 $与$ -1 $. 那么$ \frak{g} $成为$ \mathbb{Z} $-阶化李超代数$ \frak{g} = \frak{g}_{-1}\oplus\frak{g}_0\oplus\frak{g}_1. $设$ \Lambda: = \{\lambda = \lambda_{1}\eta_{1}+\lambda_{2}\eta_{2}|\lambda_{1}, \lambda_{2}\in\mathbb{F}_{p}\}. $ $ \frak{g}_0 $(同构于一般线性李代数$ \frak{gl}(2) $)的所有单模的同构类为$ \{L^{0}(\lambda)\mid \lambda\in \Lambda\} $. 令$ v_0 $为$ L^{0}(\lambda) $的属于权$ \lambda $的最高权向量. 设$ e: = x_{1}\partial_{2}, \; f: = x_{2}\partial_{1}. $归纳定义$ v_{i+1} = fv_i, 0\leq i<\lambda_{1} $. 本文约定符号$ 0\leq i<\lambda_{1} $或者$ 0\leq i\leq\lambda_{1} $一旦出现, 则$ \lambda_{1} $表示$ 0\sim p-1 $的自然数(与$ \lambda_1 $模$ p $同余). 那么$ L^{0}(\lambda) $有一组基$ \{v_0, v_1, \ldots, v_{\lambda_1}\} $. 如果$ i\notin \{0, 1, \ldots, \lambda_1\} $, 那么约定$ v_i = 0 $. 下面引理给出了$ L^{0}(\lambda) $的模结构.
引理2.1 [3]
注意到, 若规定$ \frak{g}_1 $平凡作用在$ L^{0}(\lambda) $上, 则$ L^{0}(\lambda) $可视为$ \mathfrak{g}_0\oplus\frak{g}_1 $-模. 定义$ \frak{g} $的Kac模
其中$ u(L) $表示李超代数$ L $的限制包络代数. 那么作为向量空间, $ K(\lambda)\cong\Lambda(\mathfrak{g}_{-1})\otimes_{\mathbb{F}}L^{0}(\lambda). $显然, $ K(\lambda) $具有基:
设$ f\partial_{s}\in \frak{g} $. 根据文献[7], 可得如下等式:
利用$ (2.1)-(2.3) $及引理2.1, 可以得到Kac模$ K(\lambda) $的模作用表.
本节主要是分步骤证明定理1.
通过计算, 容易得到$ \frak{g} $的权空间为:
根据表 1, $ K(\lambda) $的权空间为:
进而可得如下引理:
引理3.1 $ \lambda_{2}\ \notin \{0, 1, 2, 3, -1\} $时, $ \frak{g} $到Kac模的权映射必为零映射.
设$ \varphi $是一个非零保权映射, 那么$ \lambda_{2} $只能取$ 0, \; 1, \; 2, \; 3, \; -1 $. 下面的注记给出了$ K(\lambda)_{\mu} $的结构, 其中$ \mu $为$ \frak{g} $的任一权.
注记3.2 当$ 0\leq i\leq\lambda_{1}, \; \lambda_{2}\in\{0, 1, 2, 3, -1\} $时, 有以下结论:
(1) 当$ \lambda_{2} = 0 $时,
(2) 当$ \lambda_{2} $ = 1时,
(3) 当$ \lambda_{2} = 2 $时,
(4) 当$ \lambda_{2} = 3 $时,
(5) 当$ \lambda_{2} = -1 $时,
记$ K = \{-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3\} $. 当$ \lambda_{2}\in\{0, 1, 2, 3, -1\} $时, 若$ K(\lambda)_{\mu}\neq0 $且$ \mu $为$ \frak{g} $的权, 则(3.1)中出现的$ i $都是$ \frac{\lambda_{1}+k}{2} $的形式, 其中$ k\in K $. 对于$ \forall k\in K $, 当$ \lambda_{1}\geq3 $时, 作为自然数$ \frac{\lambda_{1}+k}{2}\in\mathbb{F}_{p} $; 而$ 0\leq\lambda_{1}\leq2 $时, 作为自然数, $ \exists\frac{\lambda_{1}+k}{2}\leq0 $, 所以调整$ p $, 使得$ \frac{\lambda_{1}+k+p}{2}\geq0 $. 下文将分为$ 0\leq\lambda_{1}\leq2 $和$ \lambda_{1}\geq3 $两种情况讨论.
引理3.3
(1) 当$ \lambda_{1} = 0, \lambda_{2} = 0 $时, $ \frak{g} $到Kac模的权导子空间是一维的.
(2) 当$ \lambda_{1} = 0, \lambda_{2}\in\{1, 2, 3, -1\} $时, $ \frak{g} $到Kac模的权导子空间是零空间.
(3) 当$ \lambda_{1} = 0, \lambda_{2}\in\{0, 1, 2, 3, -1\} $时, $ \frak{g} $到Kac模的权导子空间是零空间.
证 由于特征$ p $不同时, $ \frac{\lambda_{1}+k}{2} $作为自然数未必满足$ 1\leq i\leq\lambda_{1} $, 因此证明过程中我们根据特征$ p $分情况讨论:
● 当$ \lambda_{1} = 0 $时, 考虑$ p = 3 $和$ p\geq5 $两种情况.
● 当$ \lambda_{1} = 1 $时, 考虑$ p = 3 $和$ p\geq5 $两种情况.
● 当$ \lambda_{1} = 2 $时, 考虑$ p = 3, p = 5 $和$ p\geq7 $三种情况.
下面只证明$ \lambda_{1} = 0, \lambda_{2} = 0 $的情形, 其他情形可做类似证明.
(1) 当$ p = 3 $时, 作为自然数, 显然有
由注记3.2可知,
其中$ \mu = -\eta_{1}+\eta_{2}, \eta_{1}+\eta_{2}, -2\eta_{1}, 2\eta_{1}, 0. $设权映射$ \varphi $满足:
则$ |\varphi| = \bar{0} $. 进而$ \varphi $是权导子当且仅当下列方程有非零解:
即:
整理上述方程组可得:
(2) 当$ p\geqslant5 $时, 作为自然数, 显然有
其中$ \mu = -\eta_{1}+\eta_{2}, \eta_{1}+\eta_{2}, -2\eta_{1}, 2\eta_{1}. $设权映射$ \varphi $满足:
则$ |\varphi| = \bar{0} $. 于是$ \varphi $是权导子当且仅当下列方程有非零解:
综上所述, $ \lambda_{1} = 0, \; \lambda_{2} = 0 $时, 即$ \lambda = 0 $时, 权导子空间是一维的.
类似的, 可以得到$ \lambda_{1} = 0, 1, 2 $时, 每一组满足导子定义的方程组. 经过计算可知, 只有$ \lambda_{1} = 0 $且$ \lambda_{2} = 0 $时才有非零解, 其余情况只有零解.
回忆$ K(\lambda) $的基, 下面刻画一下$ v_{i} $的情形.
引理3.4 对$ \forall k\in K $, 当$ \lambda_{1}+k $为偶数时, 则$ v_{\frac{\lambda_{1}+k}{2}}\neq0 $. 当$ \lambda_{1}+k $为奇数时, 若$ 3\leq\lambda_{1}<p-3 $, 则$ v_{\frac{\lambda_{1}+k}{2}} = 0 $.
证 因为$ \lambda_{1}+k $不能被2整除时, 不一定可以作为$ i $的取值, 故按照$ \lambda_{1}+k $为奇数和偶数两种情况讨论.
当$ \lambda_{1}+k $为偶数时: $ \tfrac{\lambda_{1}+k}{2}\in\{0, 1, \cdots, \tfrac{p+1}{2}, \tfrac{p+2}{2}\}\subset\{0, 1, \cdots, p-1\} $, 此时可以直接按自然数次序与$ \lambda_{1} $比较大小, 又因为$ k\leq\lambda_{1} $, 从而有$ \tfrac{\lambda_{1}+k}{2}\leq\lambda_{1} $. 于是当$ \lambda_{1}+k $为偶数时, $ v_{\tfrac{\lambda_{1}+k}{2}}\neq0 $.
当$ \lambda_{1}+k $为奇数且$ 3\leq\lambda_{1}<p-3 $时: $ \tfrac{\lambda_{1}+k+p}{2}\geq\lambda_{1} $. 如若不然, $ \lambda_{1}\geq p+k $, 这与$ \lambda_{1} $是介于$ 0\sim p-1 $的自然数矛盾,因此$ v_{\tfrac{\lambda_{1}+k}{2}} = 0. $
引理3.5 当$ \lambda_{1}\geq3, \; \lambda_{2}\in\{0, 1, 2, 3, -1\} $时, $ \frak{g} $到Kac模的权导子空间是零空间.
证 只需进行如下分类讨论:
(1) 当$ \lambda_{1} = p-1 $时, 若$ \lambda_{1}+k $为偶数, 则$ v_{\frac{\lambda_{1}+k}{2}}\neq0 $. 若$ \lambda_{1}+k $为奇数, 作为自然数有
易得$ v_{\tfrac{\lambda_{1}+k}{2}}\neq0 $.
(2) 当$ \lambda_{1} = p-2 $时, 若$ \lambda_{1}+k $为偶数, 则$ v_{\frac{\lambda_{1}+k}{2}}\neq0 $. 若$ \lambda_{1}+k $为奇数, 作为自然数有
易得$ v_{\tfrac{\lambda_{1}}{2}} = 0, \; v_{\tfrac{\lambda_{1}+2}{2}}\neq0, \; v_{\tfrac{\lambda_{1}-2}{2}}\neq0 $.
(3) 当$ \lambda_{1} = p-3 $时, 若$ \lambda_{1}+k $为偶数, 则$ v_{\frac{\lambda_{1}+k}{2}}\neq0 $. 若$ \lambda_{1}+k $为奇数, 作为自然数有
易得$ v_{\tfrac{\lambda_{1}+1}{2}} = 0, \; v_{\tfrac{\lambda_{1}-1}{2}} = 0, \; v_{\tfrac{\lambda_{1}+3}{2}}\neq0, \; v_{\tfrac{\lambda_{1}-3}{2}}\neq0 $.
(4) 当$ 3\leq\lambda_{1}<p-3 $时, 若$ \lambda_{1}+k $为奇数, 由引理3.4可知, $ \frak{g} $在$ \varphi $下的象只有零空间, 若$ \lambda_{1}+k $为偶数, 与$ \lambda_{1} = p-1 $的情形下计算过程相似.
下面证明$ \lambda_{1} = p-2, \lambda_{2} = 2 $的情形. 由注记3.2可知,
其中$ \mu = -\eta_{1}-\eta_{2}, \eta_{1}-\eta_{2}, 0. $设权映射$ \varphi $满足:
则$ |\varphi| = \bar{0} $. 那么$ \varphi $是权导子当且仅当下列方程有非零解:
解得:
经过上述计算, 上述所有情况中, 满足导子定义的每个方程组都只有零解, 结论得证.
由引理3.1, 3.3以及3.5易得定理1.