Теорема о замкнутой подгруппе

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В математике теорема о замкнутой подгруппе (иногда называемая теоремой Картана ) — теорема теории групп Ли . Он утверждает, что если H замкнутая подгруппа группы Ли G , то H вложенная группа Ли с гладкой структурой (и, следовательно, топологией группы ), согласующейся с вложением. [1] [2] [3] Один из нескольких результатов, известных как теорема Картана . Впервые он был опубликован в 1930 году Эли Картаном . [4] который был вдохновлен доказательством Джона фон Неймана 1929 года особого случая для групп линейных преобразований . [5] [6]

Обзор [ править ]

Пусть G — группа Ли с алгеброй Ли . Пусть теперь H — произвольная замкнутая подгруппа G. группы Необходимо показать, что H — гладкое вложенное подмногообразие в G . Первый шаг — идентифицировать что-то, что могло бы быть алгеброй Ли H , то есть касательным пространством H в точке идентичности. Проблема в том, что не предполагается, что H обладает какой-либо гладкостью, и поэтому неясно, как можно определить ее касательное пространство. Чтобы продолжить, определите «алгебру Ли». H по формуле

Нетрудно показать, что является подалгеброй Ли . [7] В частности, является подпространством , которое, как можно надеяться, является касательным пространством к H в единице. Однако чтобы эта идея сработала, должен быть достаточно большим, чтобы собрать некоторую интересную информацию о H . Если бы, например, H была некоторой большой подгруппой G , но оказался нулевым, не было бы полезно.

Ключевой шаг, таким образом, состоит в том, чтобы показать, что фактически захватывает все элементы H , которые достаточно близки к единице. То есть необходимо доказать следующую критическую лемму:

Лемма . Возьмем небольшую окрестность U начала координат в такое, что экспоненциальное отображение диффеоморфно отправляет U в некоторую окрестность единицы в G и пусть log: V U — обратное экспоненциальное отображение. Тогда существует некоторая меньшая окрестность W V такая, что если h принадлежит W H , то log( h ) принадлежит . [8]

Как только это будет установлено, можно использовать экспоненциальные координаты на W , то есть записывать каждый g W (не обязательно в H ) как g = e Икс для X = журнал ( г ) . В этих координатах лемма утверждает, что X соответствует точке из H именно в том случае, если X принадлежит . То есть в экспоненциальных координатах вблизи единицы H выглядит как . С это просто подпространство , это значит, что это как Р к Р н , с и . Таким образом, мы продемонстрировали « систему координат среза », в которой H G локально выглядит как R к Р н , что является условием вложенного подмногообразия. [9]

Стоит отметить, что Россманн показывает, что для любой подгруппы H группы G (не обязательно замкнутой) алгебра Ли из H является подалгеброй Ли в . [10] Затем Россманн вводит координаты. [11] на H , которые превращают единичный компонент H в группу Ли. Однако важно отметить, что топология H, исходящая из этих координат, не является топологией подмножества. То есть, единичный компонент H является погруженным подмногообразием G , но не вложенным подмногообразием.

В частности, сформулированная выше лемма не верна, если H не замкнуто.

Пример незамкнутой подгруппы [ править ]

Тор Г. ​ Представьте себе изогнутую спираль , лежащую на поверхности, H. изображающую Если а = p q , проще говоря, спираль закроется сама в точке (1, 1) после p вращений в φ и q вращений в θ . Если a иррационально, спираль закручивается бесконечно.

В качестве примера подгруппы, которая не является вложенной подгруппой Ли, рассмотрим тор и « иррациональную обмотку тора ».

и его подгруппа
с иррациональным . Тогда H плотно и, следовательно , в G не замкнуто. [12] В относительной топологии небольшое открытое подмножество H состоит из бесконечного числа почти параллельных отрезков прямых на поверхности тора. Это означает, что H не является локально связным . В групповой топологии малые открытые множества представляют собой отдельные отрезки прямых на поверхности тора, а H . локально связен

Пример показывает, что для некоторых групп H в сколь угодно малой окрестности U в относительной топологии τ r единицы можно найти точки , являющиеся экспонентами элементов h , но их нельзя соединить с единицей путем, остающимся в U . [13] Группа ( H , τ r ) не является группой Ли. Хотя отображение exp : h → ( H , τ r ) является аналитической биекцией, его обратное не является непрерывным. То есть, если U h соответствует небольшому открытому интервалу ε < θ < ε , не существует открытого V ⊂ ( H , τ r ) с log( V ) ⊂ U из-за появления множеств V . с групповой топологией τg H Однако ( , τg ) является группой Ли. В этой топологии вложение ι : ( H , τg , а значит , ) → G является аналитическим инъективным погружением, но не гомеоморфизмом и не вложением. Существуют также примеры групп H , для которых в сколь угодно малой окрестности (в относительной топологии) единицы можно найти точки, не являющиеся экспонентами элементов h . [14] Для замкнутых подгрупп это не так, как показывает приведенное ниже доказательство теоремы.

Приложения [ править ]

Из-за заключения теоремы некоторые авторы решили определить линейные группы Ли или матричные группы Ли как замкнутые подгруппы GL( n , R ) или GL( n , C ) . [15] В этом случае доказывается, что каждый элемент группы, достаточно близкий к единице, является экспонентой элемента алгебры Ли. [8] (Доказательство практически идентично доказательству теоремы о замкнутой подгруппе, представленному ниже.) Отсюда следует, что каждая замкнутая подгруппа является вложенным подмногообразием в GL( n , C ) [16]

Теорема о построении однородного пространства . Если H G замкнутая подгруппа Ли , то G / H , левое смежное пространство, имеет уникальную вещественно-аналитическую структуру многообразия, такую, что фактор-отображение π : G G / H является аналитической субмерсией. . Левое действие, заданное выражением g 1 ⋅ ( g 2 H ) = ( g 1 g 2 ) H, превращает G / H в однородное G -пространство .

Теорема о замкнутой подгруппе теперь значительно упрощает гипотезы, априорно расширяя класс однородных пространств. Любая замкнутая подгруппа дает однородное пространство.

Аналогичным образом теорема о замкнутой подгруппе упрощает гипотезу следующей теоремы.

Если X — множество с транзитивным групповым действием , а группа изотропии или стабилизатор точки x X — замкнутая подгруппа Ли, то X имеет уникальную структуру гладкого многообразия, такую ​​что действие гладкое.

Условия закрытия [ править ]

несколько достаточных условий замкнутости H G Ниже приведены , а значит, и вложенной группы Ли.

  • Все классические группы замкнуты в GL( F , n ) , где F — это R , C или H , кватернионы .
  • Подгруппа, которая является локально закрытой, является закрытой. [17] Подгруппа называется локально замкнутой, если каждая точка имеет окрестность в U G такую, что H U замкнута в U .
  • Если H = AB = { ab | a A , b B } , где A — компактная группа, а B — замкнутое множество, то H замкнуто. [18]
  • Если h g — подалгебра Ли такая, что ни для одного X g h , [ X , h ] ∈ h , то Γ( h ) — группа, порожденная e час , замкнуто в G . [19]
  • Если X g , то однопараметрическая подгруппа , порожденная X, не является замкнутой тогда и только тогда, когда X подобен над C диагональной матрице с двумя элементами иррационального отношения. [20]
  • Пусть h g — подалгебра Ли. Если существует односвязная компактная группа k где k изоморфна h , то Γ( h ) замкнута в G. , [21]
  • Если G односвязна и h g идеал , то связная подгруппа Ли с алгеброй Ли h замкнута. [22]

Конверс [ править ]

Вложенная подгруппа Ли H G замкнута. [23] поэтому подгруппа является вложенной подгруппой Ли тогда и только тогда, когда она замкнута. Эквивалентно, H является вложенной подгруппой Ли тогда и только тогда, когда ее топология группы равна ее относительной топологии. [24]

Доказательство [ править ]

Джон фон Нейман в 1929 году доказал теорему для матричных групп , приведенную здесь. Он был видным во многих областях, включая квантовую механику , теорию множеств и основы математики .

Доказательство приведено для групп матриц с G = GL( n , R ) для конкретности и относительной простоты, поскольку матрицы и их экспоненциальное отображение являются более простыми понятиями, чем в общем случае. Исторически этот случай был первым доказан Джоном фон Нейманом в 1929 году и вдохновил Картана на доказательство теоремы о полной замкнутой подгруппе в 1930 году. [5] [6] Доказательство для общего G формально идентично: [25] за исключением того, что элементы алгебры Ли являются левоинвариантными векторными полями на G , а экспоненциальное отображение - это поток векторного поля, равный времени один. Если H G с G , замкнутым в GL( n , R ) , то H замкнуто в GL( n , R ) , поэтому специализация на GL( n , R ) вместо произвольного G ⊂ GL( n , R ) не имеет большого значения. .

Доказательство ключевой леммы [ править ]

Начнем с установления ключевой леммы, изложенной в разделе «Обзор» выше.

Наделите g ( скалярным произведением например, скалярным произведением Гильберта–Шмидта ), и пусть h — алгебра Ли H , определенная как h = { X ∈ M n ( R ) = g | е Техас ЧАС т р } . Пусть s = { S g | ( S , T ) знак равно 0 ∀ T час } , ортогональное дополнение к часу . Тогда g разлагается в прямую сумму g = s h , поэтому каждый X g однозначно выражается как X = S + T, где S s , T h .

Определим отображение Φ: g → GL( n , R ) посредством ( S , T ) ↦ e С Это Т . Разложим экспоненты,

и форвард или дифференциал в точке 0 , Φ ( S , T ) = d / dt Φ( tS , tT ) | t = 0 рассматривается как S + T , т.е. Φ = Id , тождество. Условие теоремы об обратной функции удовлетворяется с аналитическим Φ , и, таким образом, существуют открытые множества U 1 g , V 1 ⊂ GL( n , R ) с 0 ∈ U 1 и I V 1 такие, что Φ является вещественным числом. аналитическая биекция из U 1 в V 1 с аналитическим обратным. Осталось показать, что U 1 и V 1 содержат открытые множества U и V такие, что выполнено заключение теоремы.

Рассмотрим счетный базис окрестностей Β в точке g , линейно упорядоченный обратным включением, B1 причем U1 0 . [а] Предположим, чтобы получить противоречие, что для всех Φ i ( B i ) ∩ H содержит элемент h i , который не имеет вида h i = e Т я , Т я час . Тогда, поскольку Φ является биекцией на B i , существует единственная последовательность X i = S i + T i , причем 0 ≠ Si , s и T i h, такая, что X i B i сходящаяся к 0 потому что Β является базисом окрестности, с e SИ Это Т я = час я . Поскольку е Т я H и час i H , e SИ принадлежит H. также

Нормализовать последовательность в s , Y i = S я / || С я || . Она принимает свои значения в единичной сфере в s и, поскольку она компактна , существует сходящаяся подпоследовательность, сходящаяся к Y s . [26] Индекс i в дальнейшем относится к этой подпоследовательности. Будет показано, что е tY ЧАС , ∀ т р . Зафиксируйте t и выберите последовательность m i целых чисел такую, что m i || С я || → т как я → ∞ . Например, m i такое, что m i || С я || ≤ т ≤ ( м я + 1) || С я || подойдет, так как S i → 0 . Затем

Поскольку H — группа, левая часть находится в H для всех i . Поскольку H замкнуто, e tY ЧАС , ∀ т , [27] следовательно, Y h . Это противоречие. Следовательно, для некоторого i множества U = Βi и V = Φ(Βi ) удовлетворяют условиям e U h = H V , а экспонента, ограниченная открытым множеством ( U h ) ⊂ h, находится в аналитической биекции с открытым множеством Φ( U ) ∩ H H . Это доказывает лемму.

Доказательство теоремы [ править ]

Для j i образ H в B j образует I базис окрестности в . Это, по способу построения, базис окрестности как в групповой топологии, так и в относительной топологии . Поскольку умножение в G является аналитическим, сдвиг этого базиса окрестности влево и вправо на элемент группы g G дает базис окрестности в g . Эти базисы, ограниченные H, дают базы окрестностей при всех h H . Топология, создаваемая этими базами, является относительной топологией. Вывод состоит в том, что относительная топология такая же, как и групповая топология.

Затем постройте координатные карты на H . Сначала определим φ 1 : e ( У ) грамм грамм , грамм ↦ журнал( грамм ) . Это аналитическая биекция с аналитической обратной. Более того, если h H , то φ 1 ( h ) ∈ h . Зафиксировав базис для g = h s и отождествив g с R н , то в этих координатах φ 1 ( h ) = ( x 1 ( h ), ..., x m ( h ), 0, ..., 0) , где m — размерность h . Это показывает, что ( е В , φ 1 ) представляет собой срезную диаграмму . Путем перевода карт, полученных из счетного базиса окрестностей, использованного выше, можно получить срезовые карты вокруг каждой точки в H . Это показывает, что H является вложенным подмногообразием G .

Более того, умножение m и инверсия i в H аналитичны, поскольку эти операции аналитичны в G , а ограничение на подмногообразие (вложенное или погруженное) с относительной топологией снова дает аналитические операции m : H × H G и i : H × H Г . [28] Но поскольку H вложенно, m : H × H H и i : H × H H также аналитичны. [29]

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Для этого можно выбрать открытые шары, В = { B k | диаметр( B k ) = 1 / k + m , k N } для некоторого достаточно большого m такого, что B 1 U 1 . Здесь используется метрика, полученная из скалярного произведения Гильберта–Шмидта.

Цитаты [ править ]

  1. ^ Ли 2003 , Теорема 20.10. Ли формулирует и доказывает эту теорему во всей общности.
  2. ^ Россманн 2002 , Теорема 1, раздел 2.7 Россманн формулирует теорему для линейных групп. Утверждается, что существует открытое подмножество U g такое, что U × H G , ( X , H ) → e Икс H — аналитическая биекция на открытую окрестность H в G .
  3. ^ Холл 2015 , Для линейных групп Холл доказывает аналогичный результат в следствии 3.45.
  4. ^ Картман 1930 , § 26.
  5. ^ Перейти обратно: а б фон Нейман 1929 год .
  6. ^ Перейти обратно: а б Бохнер 1958 .
  7. ^ Холл 2015 , Теорема 3.20.
  8. ^ Перейти обратно: а б Холл 2015 , Теорема 3.42.
  9. ^ Ли 2003 , Глава 5.
  10. ^ Россманн 2002 , Глава 2, предложение 1 и следствие 7.
  11. ^ Россманн 2002 , Раздел 2.3.
  12. ^ Ли 2003 , Пример 7.3.
  13. ^ Россманн 2002 , см. комментарий к следствию 5, раздел 2.2.
  14. ^ Россман 2002 .
  15. ^ Например , Холл 2015 . См. определение в главе 1.
  16. ^ Холл 2015 , Следствие 3.45.
  17. ^ Россманн 2002 , Задача 1. Раздел 2.7.
  18. ^ Россманн 2002 , Задача 3. Раздел 2.7.
  19. ^ Россманн 2002 , Задача 4. Раздел 2.7.
  20. ^ Россманн 2002 , Задача 5. Раздел 2.7.
  21. ^ Холл 2015 , Результат следует из теоремы 5.6.
  22. Hall 2015 , Упражнение 14 в главе 5.
  23. ^ Ли 2003 , Следствие 15.30.
  24. ^ Россманн 2002 , Задача 2. Раздел 2.7.
  25. ^ См., например, Lee 2003, глава 21.
  26. ^ Уиллард 1970 , Согласно задаче 17G, s секвенциально компактна, то есть каждая последовательность имеет сходящуюся подпоследовательность.
  27. ^ Уиллард 1970 , Следствие 10.5.
  28. ^ Ли 2003 , Предложение 8.22.
  29. ^ Ли 2003 , Следствие 8.25.

Ссылки [ править ]

  • Бохнер, С. (1958), «Джон фон Нейман 1903–1957» (PDF) , Биографические мемуары Национальной академии наук : 438–456 . См., в частности , стр. 441 .
  • Картан, Эли (1930), «Теория конечных и непрерывных групп и анализ положения », Mémorial Sc. , полет. XLII, стр. 1–61
  • Холл, Брайан К. (2015), Группы Ли, алгебры Ли и представления: элементарное введение , Тексты для выпускников по математике, том. 222 (2-е изд.), Спрингер, ISBN  978-3319134666
  • Ли, Дж. М. (2003), Введение в гладкие многообразия , Тексты для выпускников Springer по математике, том. 218, ISBN  0-387-95448-1
  • Россманн, Вульф (2002), Группы Ли – введение через линейные группы , Оксфордские тексты для выпускников по математике, Oxford Science Publications, ISBN  0-19-859683-9
  • фон Нейман, Джон (1929), «Об аналитических свойствах групп линейных преобразований и их представлений», Mathematical Journal (на немецком языке), 30 (1): 3–42, doi : 10.1007/BF01187749 , S2CID   122565679
  • Уиллард, Стивен (1970), Общая топология , Dover Publications, ISBN  0-486-43479-6