李超代数在数学、物理等多个领域都有着广泛的应用. 但至今模李超代数(素特征域上的李超代数)的分类工作还没有完成, 其中Cartan型模李超代数成为分类问题的关键, 也取得了很多丰硕的成果[1-8]. 我们知道, 上同调对于李超代数扩张以及其模扩张的研究具有重大作用, 如[9-11]. 其中特殊线性李超代数到Cartan型模李超代数W、S和H的低维上同调已经被计算[12-14]. 因奇Hamilton超代数$ {\mathrm{HO}} $的零阶化分支中包含典型李超代数$ \tilde{P}(2) $, 故在伴随表示意义下, $ {\mathrm{HO}} $可视为$ \tilde{P}(2) $-模. 本文通过对$ {\mathrm{HO}} $进行适当的$ \tilde{P}(2) $-子模分解和相应的权空间计算, 并利用权导子(保持权不变的导子), 计算了$ \tilde{P}(2) $到$ {\mathrm{HO}} $的零维和一维上同调.
令$ \mathbb{N} $与$ \mathbb{N}_{0} $分别表示正整数集与非负整数集, $ \mathbb{F} $表示特征$ p>3 $的域, $ \mathbb{Z}_{2}:=\{\bar{0}, \bar{1}\} $表示整数模2的剩余类环, $ |x| $表示$ \mathbb{Z}_{2} $-阶化向量空间中齐次元素$ x $的$ \mathbb{Z}_{2} $-次数, $ {\rm{zd}}(x) $表示$ \mathbb{Z} $-阶化向量空间中齐次元素$ x $的$ \mathbb{Z} $-次数. 记$ \langle $$ x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{k} $$ \rangle $为$ x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{k} $在数域$ \mathbb{F} $上线性生成的向量空间. 设$ {\alpha=(\alpha_{1}, \alpha_{2}, \cdots, \alpha_{m})\in\mathbb{N}^{m}_{0}} $, $ {\beta=(\beta_{1}, \beta_{2}, \cdots, \beta_{m})\in\mathbb{N}^{m}_{0}} $, 定义$ \alpha\choose \beta $: =$ \prod^{m}_{i=1}{\alpha_{i}\choose \beta_{i}} $. 令$ \mathcal{U}(x) $是具有生成元集$ \{x^{(\alpha)}=x^{\alpha_{1}}_{1}x^{\alpha_{2}}_{2}\cdots x^{\alpha_{m}}_{m}|\alpha\in\mathbb{N}^{m}_{0}\} $的$ \mathbb{F} $上的除幂代数, 乘法运算为$ {x^{(\alpha)}x^{(\beta)}} $=$ {\alpha+\beta}\choose \beta $$ x^{(\alpha+\beta)}, \; \alpha, \beta\in\mathbb{N}^{m}_{0}. $ $ \Lambda(n) $是由变元$ x_{m+1}, x_{m+2}, \cdots, x_{m+n} $生成$ \mathbb{F} $上的外代数, 基元素用$ x^{u} $表示. 令
其中$ x^{(\alpha)}\otimes x^{u} $简记为$ x^{(\alpha)}x^{u} $, 称为除外代数. $ \mathcal{U}(m) $的平凡的$ \mathbb{Z}_{2} $-阶化和$ \Lambda(n) $的自然的$ \mathbb{Z}_{2} $-阶化诱导了$ \Lambda(m, n) $的一个$ \mathbb{Z}_{2} $-阶化:
从而$ \Lambda(m, n) $是一个结合超代数. 令$ {\rm{zd}}(x_{i})=1, \; i=1, 2, \cdots, m+n $, 则$ \Lambda(m, n) $有一个自然的$ \mathbb{Z} $-阶化:
令$ {{\mathrm{Y}}_{0}}=\{1, 2, \cdots, m\} $, $ {{\mathrm{Y}}_{1}}=\{m+1, \cdots, m+n\} $, $ {\mathrm{Y}}={\mathrm{Y}}_{0}\bigcup{\mathrm{Y}}_{1} $. 设$ {\mathrm{D}}_{1}, {\mathrm{D}}_{2}, \cdots, {\mathrm{D}}_{s} $是$ \Lambda(m, n) $的线性变换, 并满足
其中$ \varepsilon_{i}=(\delta_{i1}, \delta_{i2}, \cdots, \delta_{im}), i\in{\mathrm{Y}}_{0} $; $ \partial_{i} $是$ \Lambda(n) $的特殊导子, $ \forall i\in{\mathrm{Y}}_{1} $. 则$ {\mathrm{D}}_{i}\in{\mathrm{Der}}_{\bar{0}}(\Lambda(m, n)) $, $ \forall i\in{\mathrm{Y}}_{0} $; $ {\mathrm{D}}_{i}\in{\mathrm{Der}}_{\bar{1}}(\Lambda(m, n)) $, $ \forall i\in{\mathrm{Y}}_{1} $.
令$ {\mathrm{W}}(m, n)=\{\sum^{m+n}_{i=1}f_{i}{\mathrm{D}}_{i}|\; f_{i}\in\Lambda(m, n), \; \forall i\in{\mathrm{Y}}\} $, 则$ {\mathrm{W}}(m, n) $是$ {\mathrm{Der}}(\Lambda(m, n)) $的子代数, 称为$ {\textbf{Witt}} $超代数 .
设$ {\mathrm{T_{H}}}:\Lambda(n, n)\rightarrow {\mathrm{W}}(n, n) $是线性映射, 使得$ {\mathrm{T_{H}}}(f)=\sum^{2n}_{i=1}(-1)^{\tau(i)|f|}\partial_{i}(f)\partial_{i'}, $这里
易见$ {\mathrm{zd(T_{H}})}=-2, \; |{\mathrm{T_{H}}}|=\bar{1} $. 令$ {\mathrm{HO}}(n, n):=\{{{\mathrm{T_{H}}}(f)|\; f\in\Lambda(n, n)}\}, $它是$ {\mathrm{W}}(n, n) $的子代数, 称之为$ {\textbf{奇Hamilton}} $超代数 . 它的$ \mathbb{Z}_{2} $-阶化结构为:
它的$ \mathbb{Z} $-阶化结构为: $ {\mathrm{HO}}(n, n)_{i}={\mathrm{T_{H}}}(\Lambda(n, n)_{i+2}) $.
由文献[7]可知, $ \forall f, g\in\Lambda(n, n), \; [{\mathrm{T_{H}}}(f), {\mathrm{T_{H}}}(g)]={\mathrm{T_{H}}}({\mathrm{T_{H}}}(f)(g))={\mathrm{T_{H}}}(h) $, 其中$ h={\mathrm{T_{H}}}(f)(g) $, 为此可在$ \Lambda(n, n) $中定义一个方括号运算$ [f, g]:={\mathrm{T_{H}}}(f)(g), \; f, g\in\Lambda(n, n), $使得$ \Lambda(n, n) $作成李超代数. 因为$ {\mathrm{kerT_{H}}}=\mathbb{F} $, 所以
下面简要回顾李超代数$ \tilde{P}(2) $. 在一般线性李超代数$ {\mathrm{gl}}(m, n) $中,
易见$ \tilde{P}(2) $的一组基为
我们可以定义$ \tilde{P}(2) $到$ {\mathrm{HO}}(2, 2)_{0} $的线性映射$ \varphi $:
显然, $ \varphi $是$ \tilde{P}(2) $到$ {\mathrm{HO}}(2, 2)_{0} $的同构映射, 故$ \tilde{P}(2) $$ \simeq{\mathrm{HO}}(2, 2)_{0} $. 又由于$ {\mathrm{HO}}(2, 2)_{0}\simeq\Lambda(2, 2)_{2}, $其中$ \Lambda(2, 2)_{2} $的一组基为
故计算$ \tilde{P}(2) $到$ {\mathrm{HO}}(n, n) $的低维上同调可转化为计算$ \Lambda(2, 2)_{2} $到$ \bar{\Lambda}(n, n) $的低维上同调. 下文简记同构的李超代数$ \tilde{P}(2) $, $ {\mathrm{HO}}(2, 2)_{0} $或$ \Lambda(2, 2)_{2} $为$ {\mathrm{g}} $, $ {\mathrm{HO}}(n, n) $和$ \bar{\Lambda}(n, n) $ $ (n\geq2) $分别为$ {\mathrm{HO}} $和$ \bar{\Lambda} $.
若$ M $为李超代数$ {\mathrm{g}} $-模, 记$ kM:=M\oplus\cdots\oplus M $ ($ k $-个), 当$ T $为平凡$ {\mathrm{g}} $-模, 且$ {\mathrm{dim}}T=k $, 那么$ T\otimes M\simeq kM $.
由上同调的性质, 我们计算$ {\mathrm{g}} $到$ {\mathrm{HO}} $的上同调可以计算$ {\mathrm{g}} $到$ {\mathrm{HO}} $子模的上同调. 为此, 我们将$ {\mathrm{g}} $-模$ {\mathrm{HO}} $进行适当的分解. 根据前文的内容, 我们只需对$ \bar{\Lambda}(2, 2)_{2} $-模$ \bar{\Lambda} $进行子模分解.
设$ \gamma=\{1, 2, n+1, n+2\}, \; S={\mathrm{Y}}\backslash\gamma $. 则$ \bar{\Lambda} $首先有下面的子模分解:
其中,
作为$ \bar{\Lambda} $的$ {\mathrm{g}} $-子模, 易见$ M\simeq {M_{1}\otimes T} $, 其中
这样, 作为$ {\mathrm{g}} $-模有$ \bar{\Lambda}\simeq\bar{\Lambda}(2, 2)\otimes T\oplus T $, 易见$ T $为平凡$ {\mathrm{g}} $-模, 且
综上, 作为$ {\mathrm{g}} $-模有
这样, 计算$ {\mathrm{g}} $到$ {\mathrm{HO}} $的低维上同调只需计算$ {\mathrm{g}} $到$ {\mathrm{g}} $-子模$ \bar{\Lambda}(2, 2) $与$ T $的上同调.
下面给出本文计算一维上同调所需的概念和引理. 设$ L $为李超代数, $ M $为$ L $-模. 一个$ L $到$ M $的$ \mathbb{Z}_{2} $-齐次线性映射$ \varphi $叫做导子, 如果满足:
若存在$ m\in M $使得
则$ \varphi $称为内导子, 否则称为外导子. 记$ {\mathrm{Der}}(L, M) $和$ {\mathrm{Ider}}(L, M) $分别为$ L $到模$ M $的导子空间和内导子空间. 李超代数$ L $到模$ M $的零维上同调与一维上同调分别为
定义3.1 设$ H $是$ L $的Cartan子代数, $ L $与$ L $-模$ M $关于$ H $的权空间分解为$ L=\oplus_{\alpha\in H^{\ast}}L_{\alpha} $和$ M=\oplus_{\alpha\in H^{\ast}}M_{\alpha} $. 一个$ L $到$ M $的导子$ \varphi $称为关于$ H $的权导子, 若$ \varphi(L_{\alpha})\subseteq M_{\alpha}, \; \forall\alpha\in H^{\ast} $.
引理3.2 [15, 16] 任何一个李超代数$ L $到$ L $-模$ M $的导子都是一个权导子与内导子之和.
由引理3.2和(1) 式, 计算$H$ ^{1}({\mathrm{g}}, {\mathrm{HO}}) $只需分别计算$ {\mathrm{g}} $到$ T $和$ \bar{\Lambda}(2, 2) $的权导子, 为此我们首先需要确定$ {\mathrm{g}} $的一个Cartan子代数$ h=\langle x_{1}x_{3}, x_{2}x_{4}\rangle $, 相应的权分别为$ (0, 0), \; (-1, 1) $, $ (-1, -1), \; (1, -1), \; (1, 1), \; (-2, 0), \; (0, -2) $.
根据定义3.1和引理3.2, 计算$H$ ^{1}({\mathrm{g}}, {\mathrm{HO}}) $只需考虑$ \bar{\Lambda}(2, 2) $中与$ {\mathrm{g}} $有相同权的权向量. 由以下公式
可做如下图表:
引理3.3 李超代数$ {\mathrm{g}} $到$ \bar{\Lambda}(2, 2) $的非零权导子都是外导子.
证 设$ \varphi $是李超代数$ {\mathrm{g}} $到$ \bar{\Lambda}(2, 2) $的权导子, 根据表 1可见, $ {\mathrm{zd}}(\varphi)=0, 2, 4, p-2, p, 2p-4 $. 下面我们按$ \varphi $的$ \mathbb{Z} $-次数分情况进行讨论. 约定在下文中, 在$ \varphi $的映射没有出现的$ \jmath $中元素的像为0.
情况1 $ {\mathrm{zd}}(\varphi)=0 $时. 根据表 1可设
由(2) 式可知
比较系数可得$ a_{13}-b_{13}=0 $. 又由于
比较系数可得$ a_{13}+b_{13}=0 $. 那么
同理可知
再由(2) 得以下两式
与
可得
最后, 根据以下三个等式
综合(3)-(6) 式, 可知$ \varphi=a\varphi_{1}, \; a\in\mathbb{F} $, 其中$ \varphi_{1} $为$ {\text {g}} $到$ \bar{\Lambda}(2, 2) $的线性映射, 使得
由(2) 验证可知, $ \varphi_{1} $是$ {\text {g}} $到$ \bar{\Lambda}(2, 2) $的权导子.
情况2 $ {\mathrm{zd}}(\varphi)=2, 4, p, p-2 $时. 可根据表 1设出不同次数的权导子, 如$ {\mathrm{zd}}(\varphi)=2 $时, 可设
再根据(2), 与情况1同样的方法, 计算得系数全为0, 即$ \varphi=0 $.
同理, 可以证明$ {\mathrm{zd}}(\varphi)=4, p, p-2 $时, $ \varphi $为0.
情况3 $ {\mathrm{zd}}(\varphi)=2p-4 $时. 由表 1, 可设$ \varphi(x_{3}x_{4})=bx^{p-1}_{1}x^{p-1}_{2}, \; \; b\in\mathbb{F}. $则$ \varphi=b\varphi_{2} $, 其中,
易见, $ \varphi_{2} $是$ {\text {g}} $到$ \bar{\Lambda}(2, 2) $的权导子.
综上3种情况, 有$ \varphi=a\varphi_{1}+b\varphi_{2}, \; a, b\in\mathbb{F} $. 下证当$ \varphi\neq0 $时为外导子. 假设$ \varphi $是由$ m\in\bar{\Lambda}(2, 2) $决定的内导子, 由于$ \varphi $是权导子, 故$ m $为零权向量. 由表 1, 可设$ m=l_{1}x_{1}x_{2}x_{3}x_{4}+l_{2}x_{1}x_{3}+l_{3}x_{2}x_{4}, \; l_{i}\in\mathbb{F} $. 一方面, 由已知
另一方由内导子定义有
同理, 一方面
另一方面
综合(9)与(10) 得, $ l_{1}=l_{2}=l_{3}=0 $, 即$ m=0 $, 从而$ \varphi=0 $, 与已知矛盾. 引理3.3得证.
引理4.1 $ H^{0}({\text {g}}, {\mathrm{HO}})=T $, 且$ {\mathrm{dim}}H^{0}({\text {g}}, {\mathrm{HO}})=2^{n-2}p^{n-2}-1. $
证 由零维上同调定义以及$ (1) $式知$ T\subseteq H^{0}({\text {g}}, {\mathrm{HO}}) $, 下面只需证$ H^{0}({\text {g}}, \bar\Lambda{(2, 2)})=0 $. 设$ l\in H^{0}({\text {g}}, \bar\Lambda{(2, 2)}) $, 由于
(其中$ \bar{\Lambda}(2, 2)_{(0)} $表示$ \bar{\Lambda}(2, 2) $中的零权空间), 可设$ l=f_{1}x_{1}x_{3}+f_{2}x_{2}x_{4}+f_{3}x_{1}x_{2}x_{3}x_{4} $, 其中$ f_{i}\in\mathbb{F} $, 则
即$ f_{1}+f_{2}=0 $. 又
得$ f_{1}=f_{2}, \; f_{3}=0 $, 即$ l=0 $, $ H^{0}({\text {g}}, \bar\Lambda{(2, 2)})=0 $. 故$ H^{0}({\text {g}}, {\mathrm{HO}})=T $, 其维数为$ 2^{n-2}p^{n-2}-1, $得证.
注 在一维上同调中元素仍用导子表示.
命题4.2 令$ \hbar=\begin{pmatrix}E &0\\0 &-E \end{pmatrix} $, 其中$ E $是二阶单位阵, 则$ H^{1}({\text {g}}, T)={\mathrm{Hom}}_{\mathbb{F}}(\mathbb{F}\hbar, T) $, 且
证 由于$ \tilde{P}(2)=P(2)\oplus\mathbb{F}\hbar $, 其中
是单的线性李超代数. 此时$ T $为$ P(2) $与$ \mathbb{F}\hbar $的平凡模. 由导子及单李超代数的性质知$ {\mathrm{Der}}(P(2), T)=0 $, 且$ {\mathrm{Der}}(\mathbb{F}\hbar, T)={\mathrm{Hom}}_{\mathbb{F}}(\mathbb{F}\hbar, T) $. 所以,
又由任何$ \mathbb{F}\hbar $到$ T $的非零导子都是外导子, 根据引理3.2知$ H^{1}({\text {g}}, T)={\mathrm{Hom}}_{\mathbb{F}}(\mathbb{F}\hbar, T) $. 最后由
知命题成立.
命题4.3 设$ \varphi_{1} $, $ \varphi_{2} $如(7), (8) 所定义, 则
证 根据引理3.3的证明, 有$ H^{1}({\text {g}}, \bar{\Lambda}(2, 2))\subseteq\langle\varphi_{1}, \varphi_{2}\rangle $, 因为$ \varphi_{1}-\varphi_{2} $是权导子, 由引理3.3知, $ \varphi_{1}-\varphi_{2} $是外导子, 故$ \varphi_{1} $与$ \; \varphi_{2} $模内导子空间$ {\mathrm{Ider}}({\text {g}}, \bar{\Lambda}(2, 2)) $是线性无关的, 又$ \varphi_{1} $与$ \varphi_{2} $在$ \; \mathbb{F} $上也是线性无关的, 所以$ \langle\varphi_{1}, \varphi_{2}\rangle\subseteq H^{1}({\text {g}}, \bar{\Lambda}(2, 2)) $, 即, $ H^{1}({\text {g}}, \bar{\Lambda}(2, 2))=\langle\varphi_{1}, \varphi_{2}\rangle $, 得证.
命题4.4 $ H^{1}({\text {g}}, {\mathrm{HO}})=(2^{n-2}p^{n-2}-1)\langle\varphi_{1}, \varphi_{2}\rangle\oplus{\mathrm{Hom}}_{\mathbb{F}}(\mathbb{F}\hbar, T) $, 特别地,
证 由$ {\mathrm{HO}}\simeq(2^{n-2}p^{n-2}-1)\bar{\Lambda}(2, 2)\oplus T $知, $ H^{1}({\text {g}}, {\mathrm{HO}})=(2^{n-2}p^{n-2}-1)H^{1}({\text {g}}, \bar{\Lambda}(2, 2))\oplus H^{1}({\text {g}}, T) $, 根据命题4.2和4.3知结论成立.