אלגברת ז'ורדן

אלגברת ז'ורדן היא אלגברה לא אסוציאטיבית (מעל חוג אסוציאטיבי), שבה פעולת הכפל, שנסמן כאן ב- , מקיימת את שתי האקסיומות  ו-
. בשפה של אופרטורי הכפל מימין ומשמאל, אפשר לבטא אקסיומות אלה כך:  ו- . כל אלגברה אלטרנטיבית קומוטטיבית היא אלגברת ז'ורדן, וכל אלגברת ז'ורדן היא בעלת חזקה אסוציאטיבית בהחלט.
מבנה זה הוגדר על ידי הפיזיקאי פסקואל יורדן (Pascual Jordan) בניסיון ליצור מסגרת מופשטת למכניקת הקוונטים, והוא קרוי על-שמו. אף על פי שהניסיון נכשל, נמצא שאלגברות ז'ורדן קשורות למבנים חשובים אחרים במתמטיקה, ובפרט לאלגברות לי ספורדיות.

היסטוריה

על-פי פרשנות קופנהגן של מכניקת הקוונטים, הגדלים הנצפים בטבע הם תוצאת הפעלתן של מטריצות הרמיטיות (או באופן כללי יותר, אופרטורים צמודים לעצמם על מרחב הילברט). לאוסף הזה של מטריצות יש חיסרון בולט: המכפלה של שתי מטריצות הרמיטיות איננה הרמיטית.
בראשית שנות השלושים ניסה הפיזיקאי פסקואל יורדן לבנות מערכת אלגברית שאבריה יהיו שווי-הערך של המטריצות ההרמיטיות, ללא המעטפת של אלגברת המטריצות הסטנדרטית. אם  הן מטריצות הרמיטיות אז  גם היא מטריצה הרמיטית. יורדן הבחין שהפעולה החדשה מקיימת את האקסיומות שהוזכרו במבוא, וביקש לבנות אלגברות שיקיימו את האקסיומות האלה, בלי להיעזר בפעולת הכפל הרגילה, האסוציאטיבית.

דוגמאות

מכל אלגברה אסוציאטיבית (ואפילו רק אלטרנטיבית מימין) A אפשר לבנות אלגברת ז'ורדן , על ידי פעולת האנטי קומוטטור  שהוגדרה לעיל. האלגברה  פשוטה אם ורק אם A פשוטה, ונילפוטנטית אם ורק אם A נילפוטנטית. (אם 2 אינו הפיך באלגברה, מגדירים , אף על פי שבמקרה זה הקשר בין האלגברה המקורית לחדשה אינו הדוק כל-כך).
האלגברות מהצורה  נקראות אלגברות מיוחדות (special). (בדומה למשפט ארטין על אלגברות אלטרנטיביות, כל אלגברת ז'ורדן הנוצרת על ידי שני איברים היא מיוחדת). מטרתו המיידית של יורדן הייתה למצוא אלגברות ז'ורדן שאינן מיוחדות; כדי לנסח מחדש את מכניקת הקוונטים, יורדן נזקק לאלגברות כאלה בעלות ממד שאינו חסום.
בניה נוספת מתקבלת מכל אלגברה אסוציאטיבית עם אינוולוציה: אוסף האיברים הסימטריים, שבדרך כלל אינו סגור לכפל, סגור תחת פעולת האנטי-קומוטטור.

תורת המבנה במימד סופי

כמו בתורת המבנה של חוגים אסוציאטיביים, לאלגברת ז'ורדן מממד סופי יש רדיקל נילי, שהוא האידיאל הנילי הגדול ביותר; הרדיקל הנילי הוא נילפוטנטי, ולכן הרדיקלים  שווים. חוג המנה ביחס לרדיקל הוא סכום ישר של אלגברות ז'ורדן פשוטות. באלגברות ז'ורדן מתקיימת גרסה של המשפט העיקרי של ודרברן: אם  ספרבילית, אז יש תת-אלגברה B שהיא איזומורפית למנה, וכך ש- (סכום ישר של מרחבים וקטוריים).
המיון של אלגברות ז'ורדן פשוטות מממד סופי מעל שדה סגור אלגברית (ממאפיין שונה מ-2) הושלם בידי נתן ג'ייקובסון בשנות ה-50, והוא דומה באופיו לזה שהתקבל על ידי ז'ורדן, פון-ניומן וויגנר. בעשורים הבאים הוכיח ג'ייקבסון משפטי מיון נוספים, מעל שדה כללי (ממאפיין שונה מ-2). משפטים אלה תארו כיצד לבנות אלגברה פשוטה מאלגברה עם חילוק, אבל לא הוסיפו פרטים על האלגברות עם חילוק עצמן.

פירוק פירס

נניח שבאלגברת ז'ורדן J יש אידמפוטנט e. אז , כאשר , המרכיבים  הם תת-אלגברות, , 
 ל-i=0,1, ו-.

תורת המבנה המודרנית

בראשית שנות השמונים המשיך יפים זלמנוב את מלאכת המיון הרבה מעבר למה שהיה ידוע קודם לכן. בהמשך קישר זלמנוב עבודות אלה לאלגברות לי ולחבורות מפותלות, ופתר את בעיית ברנסייד המצומצמת; על עבודה זו זכה זלמנוב במדליית פילדס.
באלגברות ז'ורדן מוגדרת פעולה טרנארית . איבר  המקיים  הוא "מחלק אפס מוחלט", ואם קיימים כאלה, האלגברה מנוונת. בכל אלגברת ז'ורדן יש רדיקל לא מנוון, שהוא האידיאל הגדול ביותר שחוג המנה ביחס אליו אינו מנוון. עבור אלגברות ז'ורדן ממימד סופי, הרדיקל הלא מנוון שווה לרדיקל הנילי. כל אלגברת ז'ורדן לא מנוונת היא מכפלה תת-ישרה של אלגברות ז'ורדן ראשוניות לא מנוונות. הרדיקל הלא מנוון של אלגברת ז'ורדן מכיל את הרדיקל הראשוני של J, ומוכל ברדיקל לויצקי שלה. מכאן אפשר להסיק שאלגברת ז'ורדן פשוטה אינה מנוונת.
אם A אלגברה אסוציאטיבית, אלגברת ז'ורדן המתאימה לה  היא לא מנוונת, אם ורק אם A ראשונית למחצה, והרדיקל הלא מנוון של  הוא הרדיקל הראשוני של A.
זלמנוב הוכיח שאלגברת ז'ורדן הפשוטה היחידה (לאו דווקא מממד סופי) שאינה מיוחדת, היא אלגברת אלברט מממד 27. הוא מיין את אלגברות ז'ורדן עם חילוק, את האלגברות הפשוטות, ולבסוף את האלגברות הראשוניות שאינן מנוונות. מן המיון הזה נובע שכל אלגברת ז'ורדן ראשונית לא מנוונת היא או מיוחדת, או תת-חוג מלא של אלגברת אלברט. משפטים אלה ניתנים להכללה גם לזוגות ז'ורדן.

אלגברות ז'ורדן לא קומוטטיביות

אלגברות ז'ורדן לא קומוטטיביות מוגדרות על-פי זהות הגמישות  והזהות , כאשר  ו- הן פעולות הכפל משמאל והכפל מימין ב-x, בהתאמה (בנוכחותה של זהות הגמישות, כל הנחה על-כך ש-  או  מתחלף עם  או  גוררת את כל האחרות). לכל x, הפעולות  מתחלפות כולן זו עם זו, ולכן יש לאלגברה חזקה אסוציאטיבית בהחלט. כל אלגברה ריבועית גמישה (כגון אלגברות קיילי-דיקסון) היא אלגברת ז'ורדן לא קומוטטיבית.
נניח שהמאפיין של שדה הבסיס שונה מ-2. האלגברה A היא אלגברת ז'ורדן לא קומוטטיבית אם ורק אם היא גמישה, ו- (שבה מוגדר הכפל לפי ) היא אלגברת ז'ורדן (קומוטטיבית). בכל אלגברה עם פעולה אנטי-סימטרית מתקיים  ו- , ולכן כל אלגברה כזו היא אלגברת ז'ורדן לא קומוטטיבית. בפרט, כל אלגברת לי בינארית (ולכן כל אלגברת מלצב, ובוודאי כל אלגברת לי) היא אלגברת ז'ורדן לא קומוטטיבית.
אף על פי שבאלגברות ז'ורדן לא קומוטטיביות ממד סופי יש רדיקל נילי, הן אינן מקיימות גרסה של המשפט העיקרי של ודרברן.

מבנים נוספים

מאז שנות השישים של המאה העשרים הופיעו מערכות אלגבריות דומות לאלגברות ז'ורדן. בין אלה אפשר למנות: אלגברות ז'ורדן ריבועיות (המכלילות את התאוריה למאפיין 2), מערכות ז'ורדן משולשות, זוגות ז'ורדן וסופר-אלגברות ז'ורדן.