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  <title>Arun Ram: Central extensions</title>
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  <meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=UTF-8" />
</head>

<body>
<h2 style="text-align: center">Central extensions</h2>

<p style="text-align: center">Arun Ram<br
style="margin-left: auto; margin-right: auto" />
Department of Mathematics<br style="margin-left: auto; margin-right: auto" />
University of Wisconsin<br style="margin-left: auto; margin-right: auto" />
Madison, WI 53706 USA<br style="margin-left: auto; margin-right: auto" />
ram@math.wisc.edu</p>

<p></p>

<p>This page is the result of joint work with James Parkinson and Christoph
Schwer.</p>

<p></p>

<h2>Central extensions for groups</h2>

<p>Let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> be a group. A <em>central extension</em> of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> is an exact sequence</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mn>0</mn>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>C</mi>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>E</mi>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>G</mi>
  <mover>
    <mo>&xrarr;</mo>
    <mi>p</mi>
  </mover>
  <mn>0</mn>
  <mspace width="1em"/>
</math> such that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="1em"/>
  <mi>C</mi>
  <mo>&sube;</mo>
  <mi>Z</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>E</mi>
  <mo>)</mo>
</math>,</p>
<br />
</div>

<p>the center of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>E</mi>
</math>. For each section <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>s</mi>
  <mo>:</mo>
  <mi>G</mi>
  <mo>&rarr;</mo>
  <mi>E</mi>
</math> of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>p</mi>
</math> the map</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
  <mo>:</mo>
  <mi>G</mi>
  <mo>×</mo>
  <mi>G</mi>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>C</mi>
  <mspace width="1em"/>
</math> given by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="1em"/>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>s</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>s</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>s</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mi>y</mi>
  <msup>
    <mo>)</mo>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
</math>,</p>
<br />
</div>

<p>is a 2-cocycle on <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> and different choices of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>s</mi>
</math> give cohomologous cocycles <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
</math>. Conversely, given a 2-cocycle <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
</math> on <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> with values in <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>C</mi>
</math> (with trivial <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math>-action) the group</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>E</mi>
  <mo>=</mo>
  <mo>{</mo>
  <mi>g</mi>
  <mi>&sdot;</mi>
  <mi>c</mi>
  <mo>&mid;</mo>
  <mi>g</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>G</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">C</mi>
  <mo>}</mo>
  <mspace width="1em"/>
</math> with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mi>&sdot;</mi>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mtext>,</mtext>
  <mspace width="1em"/>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>C</mi>
</math> central in <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>E</mi>
</math>,</p>
<br />
</div>

<p>defines a central extension of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>C</mi>
</math>. The associative condition on <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>E</mi>
</math> is equivalent to the 2-cocycle condition for <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
</math> since</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mi>&sdot;</mi>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mi>&sdot;</mi>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mi>&sdot;</mi>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math></p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mi>&sdot;</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mi>&sdot;</mi>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>&sdot;</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <msub>
    <mi>g</mi>
    <mn>3</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math></p>

<p></p>

<p>Thus</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq">(central extensions of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>C</mi>
</math>) <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="1em"/>
  <mo>&xharr;</mo>
  <mspace width="1em"/>
  <msup>
    <mi>H</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>(</mo>
  <mi>G</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>C</mi>
  <mo>)</mo>
</math>.</p>
<br />
</div>

<p>The <em>universal central extension</em> of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> is the central extension <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>E</mi>
</math> such that every projective representation of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> is a linear representation of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>E</mi>
</math>. The <em>Schur multiplier</em> of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> is the <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>C</mi>
</math> for the universal central extension <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>E</mi>
</math>. In a fairly general setting, the Schur multiplier of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> is C = <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>H</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>(</mo>
  <mi>G</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>&Copf;</mi>
    <mo>×</mo>
  </msup>
  <mo>)</mo>
</math>.</p>

<h4>Central extensions for Lie Algebras</h4>

<p>Let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> be a Lie algebra. A <em>central extension</em> of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> is an exact sequence</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mn>0</mn>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>&cfr;</mi>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>&efr;</mi>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mover>
    <mo>&xrarr;</mo>
    <mi>p</mi>
  </mover>
  <mn>0</mn>
  <mspace width="1em"/>
</math> such that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="1em"/>
  <mi>&cfr;</mi>
  <mo>&sube;</mo>
  <mi>Z</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>&efr;</mi>
  <mo>)</mo>
</math>,</p>

<p><br />
</p>
</div>

<p>the center of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&efr;</mi>
</math>. For each section <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>s</mi>
  <mo>:</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>&rarr;</mo>
  <mi>&efr;</mi>
</math> of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>p</mi>
</math> the map</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
  <mo>:</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>×</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>&xrarr;</mo>
  <mi>&cfr;</mi>
  <mspace width="1em"/>
</math> given by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="1em"/>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>s</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>s</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>s</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mi>y</mi>
  <msup>
    <mo>)</mo>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
</math>,</p>

<p><br />
</p>
</div>

<p>is a 2-cocycle on <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> and different choices of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>s</mi>
</math> give cohomologous cocycles <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
</math>. Conversely, given a 2-cocycle <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
</math> on <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> with values in <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&cfr;</mi>
</math> (with trivial <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math>-action) the Lie algebra</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&efr;</mi>
  <mo>=</mo>
  <mo>{</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>+</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>&mid;</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&cfr;</mi>
  <mo>}</mo>
  <mspace width="1em"/>
</math> with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>+</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>c</mi>
  <mtext>,</mtext>
  <mspace width="1em"/>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&cfr;</mi>
</math> central in <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&efr;</mi>
</math>,</p>
<br />
</div>

<p>defines a central extension of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&cfr;</mi>
</math>. The Jacobi identity on <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&efr;</mi>
</math> is equivalent to the 2-cocycle condition for <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ψ</mi>
</math> since</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>+</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mo>[</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>+</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>c</mi>
</math>,</p>

<p>so that</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>+</mo>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mi>z</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>+</mo>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>[</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mi>y</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <mover>
    <mstyle scriptlevel="+0">
      <mo>]</mo>
    </mstyle>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mo>[</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>+</mo>
  <mo>[</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>+</mo>
  <mo>[</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>+</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>+</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>+</mo>
  <mi>ψ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>z</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>)</mo>
  <mi>c</mi>
</math>.</p>

<p></p>

<p>Thus</p>

<div class="pos">
<p class="dispeq">(central extensions of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&cfr;</mi>
</math>) <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="1em"/>
  <mo>&xharr;</mo>
  <mspace width="1em"/>
  <msup>
    <mi>H</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>(</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>&cfr;</mi>
  <mo>)</mo>
</math>.</p>
<br />
</div>

<p>The <em>universal central extension</em> of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> is the central extension <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&efr;</mi>
</math> such that every projective representation of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> is a linear representation of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&efr;</mi>
</math>. The <em>Schur multiplier</em> of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> is the <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> for the universal central extension <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&efr;</mi>
</math>. In a fairly general setting, the Schur multiplier of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> is &cfr; = <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>H</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>(</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mo>)</mo>
</math>.</p>

<p></p>

<h3>Central extensions of the loop Lie algebra</h3>

<p>Let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> be a finite dimensional complex semisimple Lie algebra with Killing
form <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>langle</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>rangle</mi>
  <mo>:</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>×</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>&rarr;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
</math>. Viewing elements of the <em>loop Lie algebra</em></p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>&otimes;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
</math> with bracket <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mi>m</mi>
  </msup>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mi>n</mi>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mi>m</mi>
      <mo>+</mo>
      <mi>n</mi>
    </mrow>
  </msup>
</math></p>

<p>as functions in <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>t</mi>
</math> identifies <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>−</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
</math> with the space of maps <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>S</mi>
    <mn>1</mn>
  </msup>
  <mo>&rarr;</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
</math>, where <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>S</mi>
    <mn>1</mn>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <mo>{</mo>
  <msup>
    <mi>e</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>θ</mi>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>&mid;</mo>
  <mn>0</mn>
  <mo>&le;</mo>
  <mi>θ</mi>
  <mo>&lt;</mo>
  <mn>2</mn>
  <mi>π</mi>
  <mo>}</mo>
</math>. Since the space <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
</math> dual to the space of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math>-invariant bilinear forms on <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> is one dimensional the universal central extension of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
</math> is </p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>−</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
</math> with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mi>m</mi>
  </msup>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mi>n</mi>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mo>]</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mi>m</mi>
      <mo>+</mo>
      <mi>n</mi>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mi>m</mi>
  <msub>
    <mi>δ</mi>
    <mrow>
      <mi>m</mi>
      <mo>,</mo>
      <mo>–</mo>
      <mi>n</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mi>langle</mi>
  <mi>x</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>y</mi>
  <mi>rangle</mi>
  <mi>c</mi>
</math>,</p>

<p>where <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>c</mi>
</math> is central. The derivation <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>d</mi>
  <mo>:</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>&rarr;</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>−</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
</math> given by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>d</mi>
  <mo>=</mo>
  <mi>t</mi>
  <mfrac>
    <mrow>
      <mi>d</mi>
      <mphantom>
        t</mphantom>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>d</mi>
      <mi>t</mi>
    </mrow>
  </mfrac>
</math> extends to <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
</math> by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>d</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math> and adjoining this derivation gives the Lie algebra</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>−</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>d</mi>
  <mspace width="1em"/>
</math> with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="1em"/>
  <mo>[</mo>
  <mi>d</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>x</mi>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mi>m</mi>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>d</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>x</mi>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mi>m</mi>
  </msup>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <mi>x</mi>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mi>m</mi>
      <mo>−</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>,</mo>
  <mspace width="1em"/>
  <mo>[</mo>
  <mi>d</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>.</p>

<p>Let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>ϕ</mi>
</math> be the highest root of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math>, normalise the scalar product on <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> so that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>langle</mi>
  <mi>ϕ</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>ϕ</mi>
  <mi>rangle</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>?</mo>
  <mo>?</mo>
  <mo>?</mo>
  <mo>?</mo>
</math> and let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>ϕ</mi>
  </msub>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mi>ϕ</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&isin;</mo>
  <msub>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mi>ϕ</mi>
    </mrow>
  </msub>
</math> such that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>langle</mi>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>ϕ</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mi>ϕ</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mi>rangle</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>1</mn>
</math>. Let</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mo>–</mo>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mi>ϕ</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>ϕ</mi>
  </msub>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>h</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mo>[</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mi>ϕ</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>ϕ</mi>
  </msub>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mo>−</mo>
  <msub>
    <mi>h</mi>
    <msup>
      <mi>ϕ</mi>
      <mi>&vee;</mi>
    </msup>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mi>c</mi>
</math>.</p>

<p>Let</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&hfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mi>&hfr;</mi>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>d</mi>
  <mspace width="2em"/>
</math>, and let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mspace width="2em"/>
  <mover>
    <msup>
      <mi>&hfr;</mi>
      <mo>*</mo>
    </msup>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <msup>
    <mi>&hfr;</mi>
    <mo>*</mo>
  </msup>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>γ</mi>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>δ</mi>
</math>,</p>

<p>with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>α</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>α</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>d</mi>
  <mo>)</mo>
</math>, for <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>α</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <msup>
    <mi>&hfr;</mi>
    <mo>*</mo>
  </msup>
</math>, and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>δ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>&hfr;</mi>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>δ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>d</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>1</mn>
</math>.</p>

<p>Let</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mi>δ</mi>
  <mo>–</mo>
  <mi>ϕ</mi>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msubsup>
    <mi>α</mi>
    <mn>0</mn>
    <mo>&vee;</mo>
  </msubsup>
  <mo>=</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>–</mo>
  <msup>
    <mi>ϕ</mi>
    <mo>&vee;</mo>
  </msup>
</math>, and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>A</mi>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mn>1</mn>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <mo>(</mo>
  <mi>langle</mi>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msubsup>
    <mi>α</mi>
    <mi>j</mi>
    <mo>&vee;</mo>
  </msubsup>
  <mi>rangle</mi>
  <msub>
    <mo>)</mo>
    <mrow>
      <mn>0</mn>
      <mo>&lt;</mo>
      <mi>i</mi>
      <mo>,</mo>
      <mi>j</mi>
      <mo>&lt;</mo>
      <mi>&ell;</mi>
    </mrow>
  </msub>
</math>.</p>

<p>Then <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>&hellip;</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>n</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>h</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>&hellip;</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>h</mi>
    <mi>n</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>&hellip;</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>n</mi>
  </msub>
</math> are generators of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
</math> as an affine Kac-Moody Lie algebra with Cartan matrix <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>A</mi>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mn>1</mn>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </msup>
</math> and minimal realization</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>(</mo>
  <mover>
    <mi>&hfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>,</mo>
  <mo>(</mo>
  <msubsup>
    <mi>α</mi>
    <mn>0</mn>
    <mi>&vee;</mi>
  </msubsup>
  <mo>,</mo>
  <mi>&hellip;</mi>
  <mo>,</mo>
  <msubsup>
    <mi>α</mi>
    <mi>n</mi>
    <mo>&vee;</mo>
  </msubsup>
  <mo>)</mo>
  <mo>,</mo>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>&hellip;</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mi>n</mi>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>)</mo>
</math>.</p>

<p>Note that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>dim</mi>
  <mo>(</mo>
  <mover>
    <mi>&hfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>n</mi>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>=</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>(</mo>
  <mi>n</mi>
  <mo>+</mo>
  <mn>1</mn>
  <mo>)</mo>
  <mo>−</mo>
  <mi>rank</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>A</mi>
  <mo>)</mo>
</math> since <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>rank</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>A</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>n</mi>
</math>. The center of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
</math> is <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
</math>, the Cartan subalgebra of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
</math>is</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&hfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>=</mo>
  <mi>&hfr;</mi>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>d</mi>
  <mspace width="2em"/>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>–</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>&sime;</mo>
  <mfrac>
    <msup>
      <mover>
        <mi>&gfr;</mi>
        <mi>&Tilde;</mi>
      </mover>
      <mi>&prime;</mi>
    </msup>
    <mrow>
      <mi>&Copf;</mi>
      <mi>c</mi>
    </mrow>
  </mfrac>
</math>, where <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mover>
      <mi>&gfr;</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mi>&prime;</mi>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>t</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>t</mi>
    <mrow>
      <mo>−</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>&oplus;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
  <mi>c</mi>
</math></p>

<p>is the derived algebra of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
</math>. Define <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>δ</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <msup>
    <mover>
      <mi>&hfr;</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mo>*</mo>
  </msup>
</math> by</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>δ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>d</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>1</mn>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>δ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>δ</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>, for <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>h</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&hfr;</mi>
</math>.</p>

<p>The real and imaginary roots of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
</math> are</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mover>
      <mi>R</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mi>re</mi>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mo>{</mo>
  <mi>α</mi>
  <mo>+</mo>
  <mi>r</mi>
  <mi>δ</mi>
  <mo>&mid;</mo>
  <mi>α</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>R</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>r</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&Zopf;</mi>
  <mo>}</mo>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mover>
      <mi>R</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mi>im</mi>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mo>{</mo>
  <mi>r</mi>
  <mi>δ</mi>
  <mo>&mid;</mo>
  <mi>r</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&Zopf;</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>r</mi>
  <mo>&ne;</mo>
  <mn>0</mn>
  <mo>}</mo>
</math>,</p>

<p>respectively, where each imaginary root has multiplicity <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
  <mo>=</mo>
  <mi>rank</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>)</mo>
</math>.</p>

<h3>Kac-Moody Lie algebras</h3>

<p>A <em>symmetrizable</em> matrix is a matrix <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>A</mi>
  <mo>=</mo>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>j</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math> such that there exists a diagonal matrix <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>D</mi>
</math> with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>D</mi>
  <mi>A</mi>
</math> symmetric. A <em>generalised Cartan matrix</em> <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>A</mi>
  <mo>=</mo>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>j</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math> be a matrix with rows and columns indexed by a set <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>I</mi>
</math> such that </p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>j</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&Zopf;</mi>
  <mo>,</mo>
  <mspace width="1em"/>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>i</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>,</mo>
  <mspace width="1em"/>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>j</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&le;</mo>
  <mn>0</mn>
  <mspace width="1em"/>
  <mtext>if</mtext>
  <mi>i</mi>
  <mo>&ne;</mo>
  <mi>j</mi>
  <mo>,</mo>
  <mspace width="1em"/>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>j</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&ne;</mo>
  <mn>0</mn>
  <mspace width="1em"/>
  <mtext>if andonly if</mtext>
  <mspace width="1em"/>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>j</mi>
      <mi>i</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&ne;</mo>
  <mn>0</mn>
</math>.</p>

<p>Let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>A</mi>
  <mo>=</mo>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>j</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math> is a square matrix with rows and columns indexed by a set <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>I</mi>
</math>. A <em>minimal realisation</em> of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>A</mi>
</math> is a triple <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>(</mo>
  <mi>&hfr;</mi>
  <mo>,</mo>
  <mi>B</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>B</mi>
    <mi>&vee;</mi>
  </msup>
  <mo>)</mo>
</math> where</p>
<ul>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>&hfr;</mi>
    </math> is a finite dimensional vector space of dimension <math
    xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>Card</mi>
      <mo>(</mo>
      <mi>I</mi>
      <mo>)</mo>
      <mo>+</mo>
      <mi>corank</mi>
      <mo>(</mo>
      <mi>A</mi>
      <mo>)</mo>
    </math>,</li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>B</mi>
      <mo>=</mo>
      <mo>{</mo>
      <msub>
        <mi>α</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
      <mo>&mid;</mo>
      <mi>i</mi>
      <mo>&isin;</mo>
      <mi>I</mi>
      <mo>}</mo>
    </math> is a linearly independent set in <math
    xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msup>
        <mi>&hfr;</mi>
        <mo>*</mo>
      </msup>
    </math>,</li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msup>
        <mi>B</mi>
        <mi>&vee;</mi>
      </msup>
      <mo>=</mo>
      <mo>{</mo>
      <msubsup>
        <mi>α</mi>
        <mi>i</mi>
        <mi>&vee;</mi>
      </msubsup>
      <mo>&mid;</mo>
      <mi>i</mi>
      <mo>&isin;</mo>
      <mi>I</mi>
      <mo>}</mo>
    </math> is a linearly independent set in <math
    xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>&hfr;</mi>
    </math>.</li>
</ul>

<p>The Lie algebra <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>(</mo>
  <mi>A</mi>
  <mo>)</mo>
</math> is given by generators <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&hfr;</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
</math> with relations</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>[</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>h</mi>
    <mi>&prime;</mi>
  </msup>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
  <mo>,</mo>
  <mo>[</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>j</mi>
  </msub>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>δ</mi>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mi>j</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <msub>
    <mi>h</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>)</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mo>[</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <mo>–</mo>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>)</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
</math></p>

<p>for <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>h</mi>
  <mo>,</mo>
  <msup>
    <mi>h</mi>
    <mi>&prime;</mi>
  </msup>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&hfr;</mi>
</math>. The <em>Borcherds-Kac-Moody</em> Lie algebra of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>A</mi>
</math> is </p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>=</mo>
  <mfrac>
    <mrow>
      <mover>
        <mi>&gfr;</mi>
        <mi>&Tilde;</mi>
      </mover>
      <mo>(</mo>
      <mi>A</mi>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mi>&rfr;</mi>
  </mfrac>
</math>, where <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&rfr;</mi>
</math> is the largest ideal of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>A</mi>
  <mo>)</mo>
</math> such that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&rfr;</mi>
  <mi>&cap;</mi>
  <mi>&hfr;</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>. If <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>A</mi>
</math> is a generalised Cartan matrix the elements</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>(</mo>
  <mi>ad</mi>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <msup>
    <mo>)</mo>
    <mrow>
      <mn>1</mn>
      <mo>–</mo>
      <msub>
        <mi>a</mi>
        <mrow>
          <mi>i</mi>
          <mi>j</mi>
        </mrow>
      </msub>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>j</mi>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mo>(</mo>
  <mi>ad</mi>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <msup>
    <mo>)</mo>
    <mrow>
      <mn>1</mn>
      <mo>–</mo>
      <msub>
        <mi>a</mi>
        <mrow>
          <mi>i</mi>
          <mi>j</mi>
        </mrow>
      </msub>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>j</mi>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math> are in <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&rfr;</mi>
</math></p>

<p>and it is known that if <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>A</mi>
</math> is symmetrizable these elements generate <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&rfr;</mi>
</math>.</p>

<p>The Lie algebra <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>(</mo>
  <mi>A</mi>
  <mo>)</mo>
</math> is graded by</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>Q</mi>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mo>&sum;</mo>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mo>&isin;</mo>
      <mi>I</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
</math> by setting <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>deg</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>e</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>deg</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>f</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mo>–</mo>
  <msub>
    <mi>α</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <mi>deg</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>,</p>

<p>for <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>h</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&hfr;</mi>
</math>. Any ideal of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <mo>(</mo>
  <mi>A</mi>
  <mo>)</mo>
</math> is <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>Q</mi>
</math>-graded and so <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&gfr;</mi>
</math> is <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>Q</mi>
</math>-graded. An element <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>α</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>Q</mi>
</math> is </p>

<p>a <em>root</em> if <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>α</mi>
  </msub>
  <mo>&ne;</mo>
  <mn>0</mn>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>dim</mi>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>α</mi>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math> is the multiplicity of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>α</mi>
</math>.</p>

<p>Kac-Moody groups</p>

<p>An <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
</math>-module is <em>integrable</em> if elements of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>&gfr;</mi>
    <mi>&Tilde;</mi>
  </mover>
  <msub>
    <mover>
      <mi>&gfr;</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&alpha;</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mi>re</mi>
  </msub>
</math>, act locally nilpotently. The Kac-Moody group is the group <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>G</mi>
</math> generate by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>)</mo>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&alpha;</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mi>re</mi>
  </msub>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>c</mi>
  <mo>&isin;</mo>
  <mi>&Copf;</mi>
</math>, with relations</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>)</mo>
</math></p>

<p>and the additional relations coming from forcing an element to be <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mn>1</mn>
</math> if it acts by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mn>1</mn>
</math> on every integrable <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mover>
      <mi>&gfr;</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mi>&prime;</mi>
  </msup>
</math>-module, where the action of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>)</mo>
</math> on an integrable <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mover>
    <mi>g</mi>
    <mi>r</mi>
  </mover>
  <msup>
    <mover>
      <mi>&gfr;</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mi>&prime;</mi>
  </msup>
</math>-module is given by</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>x</mi>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
  <mo>(</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <msup>
    <mi>e</mi>
    <mrow>
      <mi>c</mi>
      <msub>
        <mi>X</mi>
        <mi>&alpha;</mi>
      </msub>
    </mrow>
  </msup>
</math>, where <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>X</mi>
    <mi>&alpha;</mi>
  </msub>
  <mo>&isin;</mo>
  <msubsup>
    <mover>
      <mi>&gfr;</mi>
      <mi>&Tilde;</mi>
    </mover>
    <mi>&alpha;</mi>
    <mi>&prime;</mi>
  </msubsup>
</math>.</p>

<p></p>

<p></p>
</body>
</html>
