Jump to content

Соответствие группа Ли–алгебра Ли

В математике позволяет соответствие группа Ли – алгебра Ли сопоставить группу Ли алгебре Ли или наоборот, а также изучить условия такой связи. Группы Ли, изоморфные друг другу, имеют алгебры Ли, изоморфные друг другу, но обратное не обязательно верно. Одним из очевидных контрпримеров является и (см. вещественное координатное пространство и группу окружностей соответственно), которые не изоморфны друг другу как группы Ли, но их алгебры Ли изоморфны друг другу. Однако для односвязных групп Ли соответствие группа Ли-алгебра Ли взаимно однозначно . [ 1 ]

В этой статье группа Ли относится к реальной группе Ли. Для сложных и p -адических случаев см. комплексную группу Ли и p -адическую группу Ли . В этой статье многообразия (в частности, группы Ли) предполагаются второй счетными ; в частности, они имеют не более счетного числа компонент связности .

Алгебра Ли группы Ли

[ редактировать ]

Есть разные способы понять конструкцию алгебры Ли группы Ли G . Один из подходов использует левоинвариантные векторные поля. Векторное поле X на G называется инвариантным относительно левых сдвигов, если для любых g , h в G ,

где определяется и является дифференциалом между касательными пространствами .

Позволять — множество всех левоинвариантных векторных полей на G . Это настоящее векторное пространство. Более того, оно замкнуто под скобкой Ли ; то есть, инвариантен к левому сдвигу, если X , Y являются. Таким образом, является подалгеброй Ли алгебры Ли всех векторных полей на G и называется алгеброй Ли G . Это можно понять более конкретно, отождествив пространство левоинвариантных векторных полей с касательным пространством в единице следующим образом: для данного левоинвариантного векторного поля можно взять его значение в единице, а для данного касательного вектора в единице тождество, его можно расширить до левоинвариантного векторного поля. Это соответствие взаимно однозначно в обоих направлениях, поэтому является биективным. Таким образом, алгебру Ли можно рассматривать как касательное пространство единицы и скобки X и Y в можно вычислить, расширив их до левоинвариантных векторных полей, взяв скобки векторных полей и затем вычислив результат как единицу.

Есть еще одно воплощение как алгебра Ли примитивных элементов алгебры Хопфа распределений на G с носителем на единице; об этом см. #Связанные конструкции ниже.

Матричные группы Ли

[ редактировать ]

Предположим, что G является замкнутой подгруппой GL(n; C ) и, следовательно, группой Ли по теореме о замкнутых подгруппах . Тогда алгебру Ли группы G можно вычислить как [ 2 ] [ 3 ]

Например, можно использовать этот критерий, чтобы установить соответствие для классических компактных групп (см. таблицу «Компактные группы Ли» ниже).

Гомоморфизмы

[ редактировать ]

Если

является гомоморфизмом группы Ли , то его дифференциал в единичном элементе

является гомоморфизмом алгебры Ли (скобки переходят в скобки), обладающим следующими свойствами:

В частности, если H — замкнутая подгруппа [ 7 ] группы Ли G , то является подалгеброй Ли . Кроме того, если f инъективна, то f является погружением , и поэтому G называется погруженной (лиевой) подгруппой группы H . Например, является погруженной подгруппой в H . Если f сюръективен, то f субмерсия , а если, кроме того, G компактен, то f главное расслоение со структурной группой в качестве ядра. ( лемма Эресмана )

Другие объекты недвижимости

[ редактировать ]

Позволять быть прямым произведением групп Ли и прогнозы. Тогда дифференциалы дайте каноническую идентификацию:

Если являются подгруппами Ли группы Ли, то

Пусть G — связная группа Ли. Если H — группа Ли, то любой гомоморфизм группы Ли однозначно определяется своим дифференциалом . Точнее, есть экспоненциальное отображение (и один для H ) такой, что и, поскольку G связен, это определяет f однозначно. [ 8 ] В общем случае, если U — окрестность единичного элемента в связной топологической группе G , то совпадает с G , поскольку первая является открытой (следовательно, закрытой) подгруппой. Сейчас, определяет локальный гомеоморфизм из окрестности нулевого вектора в окрестность единичного элемента. Например, если G — группа Ли обратимых действительных квадратных матриц размера n ( общая линейная группа ), то — алгебра Ли действительных квадратных матриц размера n и .

Переписка

[ редактировать ]

Соответствие между группами Ли и алгебрами Ли включает следующие три основных результата.

  • Третья теорема Ли : каждая конечномерная вещественная алгебра Ли является алгеброй Ли некоторой односвязной группы Ли . [ 9 ]
  • Теорема о гомоморфизмах : если является гомоморфизмом алгебры Ли, и если G односвязна, то существует (единственный) гомоморфизм группы Ли такой, что . [ 10 ]
  • Теорема о подгруппах и подалгебрах : если G — группа Ли и является подалгеброй Ли , то существует единственная связная подгруппа Ли (не обязательно замкнутая) H группы G с алгеброй Ли . [ 11 ]

Во второй части переписки G. нельзя опустить предположение об односвязности Например, алгебры Ли SO(3) и SU(2) изоморфны, [ 12 ] но соответствующего гомоморфизма SO(3) в SU(2) не существует. [ 13 ] Скорее, гомоморфизм переходит от односвязной группы SU(2) к неодносвязной группе SO(3). [ 14 ] Если G и H односвязны и имеют изоморфные алгебры Ли, приведенный выше результат позволяет показать, что G и H изоморфны. [ 15 ] Один из методов построения f — использование формулы Бейкера–Кэмпбелла–Хаусдорфа . [ 16 ]

Для читателей, знакомых с теорией категорий, это соответствие можно резюмировать следующим образом: во-первых, операция сопоставления каждой связной группе Ли. это алгебра Ли , и каждому гомоморфизму групп Ли соответствующий дифференциал в нейтральном элементе является (ковариантным) функтором из категории связных (вещественных) групп Ли к категории конечномерных (вещественных) алгебр Ли. Этот функтор имеет левый сопряженный функтор от (конечномерных) алгебр Ли к группам Ли (который обязательно единственен с точностью до канонического изоморфизма). Другими словами существует естественный изоморфизм бифункторов

— (единственная с точностью до изоморфизма) односвязная группа Ли с алгеброй Ли . Соответствующие естественных единиц морфизмы присоединения являются изоморфизмами, что соответствует быть полностью верным (часть второго утверждения выше). Соответствующая единица это каноническая проекция из односвязное покрытие ; его сюръективность соответствует будучи точным функтором.

Доказательство третьей теоремы Ли.

[ редактировать ]

Возможно, самое элегантное доказательство первого результата, приведенного выше, использует теорему Адо , которая гласит, что любая конечномерная алгебра Ли (над полем любой характеристики) является подалгеброй Ли алгебры Ли. квадратных матриц. Доказательство проводится следующим образом: по теореме Адо полагаем, что является подалгеброй Ли. Пусть G — замкнутая (без замыкания можно получить патологически плотный пример, как в случае иррациональной обмотки тора ) подгруппа группы созданный и пусть односвязное G ; покрытие это нетрудно показать является группой Ли и что накрывающее отображение является гомоморфизмом группы Ли. С , это завершает доказательство.

Пример: каждый элемент X в алгебре Ли. порождает гомоморфизм алгебры Ли

По третьей теореме Ли, как и exp, поскольку это тождество, этот гомоморфизм является дифференциалом гомоморфизма группы Ли для некоторой погруженной подгруппы H группы G . Этот гомоморфизм группы Ли, называемый однопараметрической подгруппой, порожденной X , является в точности экспоненциальным отображением и H его изображение. Предыдущее можно резюмировать так: существует каноническое биективное соответствие между и множество однопараметрических подгрупп группы G . [ 17 ]

Доказательство теоремы о гомоморфизмах

[ редактировать ]

Один из подходов к доказательству второй части соответствия группы Ли и алгебры Ли (теоремы о гомоморфизмах) состоит в использовании формулы Бейкера-Кэмпбелла-Хаусдорфа , как в разделе 5.7 книги Холла. [ 18 ] В частности, учитывая гомоморфизм алгебры Ли от к , мы можем определить локально (т. е. в окрестности единицы) по формуле

где — экспоненциальное отображение для G , обратное которому определено около единицы. Теперь мы докажем, что f — локальный гомоморфизм. Таким образом, учитывая два элемента вблизи тождества и (при малых X и Y ) мы считаем их произведение . Согласно формуле Бейкера–Кэмпбелла–Хаусдорфа имеем , где

с выраженные как повторяющиеся коммутаторы, включающие X и Y. указывая на другие термины , Таким образом,

потому что является гомоморфизмом алгебры Ли. Снова используя формулу Бейкера-Кэмпбелла-Хаусдорфа , на этот раз для группы H , мы видим, что это последнее выражение принимает вид , и поэтому мы имеем

Таким образом, f обладает свойством гомоморфизма, по крайней мере, когда X и Y достаточно малы. Этот аргумент является только локальным, поскольку экспоненциальное отображение обратимо только в небольшой окрестности единицы в G и поскольку формула Бейкера – Кэмпбелла – Хаусдорфа справедлива только в том случае, если X и Y малы. Предположение об G односвязности еще не использовалось.

Следующий этап рассуждений — расширение f от локального гомоморфизма до глобального. Расширение осуществляется путем определения f вдоль пути, а затем использования простой связности G, чтобы показать, что определение не зависит от выбора пути.

Представления группы Ли

[ редактировать ]

Частным случаем лиева соответствия является соответствие между конечномерными представлениями группы Ли и представлениями ассоциированной алгебры Ли.

Общая линейная группа является (вещественной) группой Ли и любой гомоморфизм группы Ли

называется представлением группы Ли G . Дифференциал

тогда является гомоморфизмом алгебры Ли, называемым представлением алгебры Ли . (Дифференциал часто обозначается просто .)

Теорема о гомоморфизмах (упомянутая выше как часть соответствия группы Ли и алгебры Ли) гласит, что если — односвязная группа Ли, алгебра Ли которой есть , каждое представление происходит от представления G . Предположение об G односвязности является существенным. Рассмотрим, например, группу вращения SO(3) , которая не является односвязной. Существует одно неприводимое представление алгебры Ли в каждом измерении, но только нечетномерные представления алгебры Ли происходят из представлений группы. [ 19 ] (Это наблюдение связано с различием между целым и полуцелым спином в квантовой механике.) С другой стороны, группа SU(2) просто связана с алгеброй Ли, изоморфной группе SO(3), поэтому каждое представление алгебры Ли SO(3) действительно приводит к представлению SU(2) .

Присоединенное представление

[ редактировать ]

Примером представления группы Ли является присоединенное представление группы Ли G ; каждый элемент g в группе Ли G определяет автоморфизм группы G путем сопряжения: ; дифференциал тогда является автоморфизмом алгебры Ли . Таким образом, мы получаем представление , называемое присоединенным представлением. Соответствующий гомоморфизм алгебры Ли называется представлением присоединенным и обозначается . Можно показать , из чего, в частности, следует, что скобка Ли определяется групповым законом на G .

По третьей теореме Ли существует подгруппа из чья алгебра Ли . ( вообще не является закрытой подгруппой; только погруженная подгруппа.) Она называется присоединенной группой группы . [ 20 ] Если G связен, он вписывается в точную последовательность:

где центром Г. является Если центр G дискретен, то Ad здесь является накрывающим отображением.

Пусть G — связная группа Ли. Тогда G унимодулярна когда тогда и только тогда, для g в G. всех [ 21 ]

Пусть G действующая на многообразии X , и G x — стабилизатор точки x в X. — группа Ли , Позволять . Затем

  • Если орбита локально замкнуто, то орбита является подмногообразием X и . [ 22 ]

Для подмножества A из или G , пусть

— централизатор алгебры Ли и централизатор группы Ли A . Затем .

Если H — замкнутая связная подгруппа группы G , то H нормальна тогда и только тогда, когда является идеалом и в таком случае .

Абелевы группы Ли

[ редактировать ]

Пусть G — связная группа Ли. Поскольку алгебра Ли центра группы G является центром алгебры Ли группы G (см. предыдущий §), G абелева тогда и только тогда, когда ее алгебра Ли абелева.

Если G абелева, то экспоненциальное отображение является сюръективным групповым гомоморфизмом. [ 23 ] Ее ядром является дискретная группа (поскольку размерность равна нулю), называемая целочисленной решеткой группы G и обозначаемая . По первой теореме об изоморфизме индуцирует изоморфизм .

По аргументу жесткости фундаментальная группа связной группы Ли G является центральной подгруппой односвязного накрытия из Г ; другими словами, G вписывается в центральное расширение

Эквивалентно, учитывая алгебру Ли и односвязная группа Ли чья алгебра Ли , существует взаимно однозначное соответствие между частными дискретными центральными подгруппами и связными группами Ли, имеющими алгебру Ли .

В сложном случае комплексные торы важны ; см. сложную группу Ли по этой теме.

Компактные группы Ли

[ редактировать ]

Пусть G — связная группа Ли с конечным центром. Тогда следующие утверждения эквивалентны.

  • G компактен.
  • (Вейль) Односвязное накрытие группы G компактен.
  • Присоединенная группа компактен.
  • Существует вложение как закрытая подгруппа.
  • Форма убийства на является отрицательно определенным.
  • Для каждого X в , диагонализуема . и имеет нулевые или чисто мнимые собственные значения
  • Существует инвариантный скалярный продукт на .

Важно подчеркнуть, что эквивалентность предыдущих условий имеет место только в предположении, что группа G имеет конечный центр. Так, например, если G компактна с конечным центром , универсальное накрытие также компактен. Ясно, что этот вывод неверен, если G имеет бесконечный центр, например, если . Последние три приведенных выше условия носят чисто алгебраический характер Ли.

Компактная группа Ли Комплексификация ассоциированной алгебры Ли Корневая система
ВС( n +1) н
ТАК (2n + 1) Б н
Сп( п ) С н
ТАК( 2n ) Д н

Если G — компактная группа Ли, то

где левая часть — алгебры Ли когомологии а правая часть — когомологии де Рама группы G . (Грубо говоря, это следствие того факта, что любую дифференциальную форму на G можно сделать левоинвариантной с помощью аргумента усреднения.)

[ редактировать ]

Пусть G — группа Ли. Соответствующая алгебра Ли G может быть альтернативно определен следующим образом. Позволять — алгебра распределений на G с носителем в единичном элементе с умножением, заданным сверткой . на самом деле является алгеброй Хопфа . алгебра Ли группы G будет Тогда , алгебра Ли примитивных элементов в . [ 24 ] По теореме Милнора–Мура существует канонический изоморфизм между универсальной обертывающей алгеброй и .

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Ли 2012 , с. 530.
  2. ^ Хельгасон 1978 , гл. II, § 2, предложение 2.7.
  3. ^ Зал 2015 г., раздел 3.3.
  4. ' ^ В более общем смысле, если H является замкнутой подгруппой H , то
  5. ^ Это требование нельзя опустить; см. также https://math.stackexchange.com/q/329753
  6. ^ Бурбаки 1981 , Гл. III, § 3, вып. 8, Предложение 28
  7. ^ Бурбаки 1981 , гл. III, § 1, предложение 5.
  8. ^ Холл, 2015 г. Следствие 3.49.
  9. ^ Холл, 2015 г. Теорема 5.25.
  10. ^ Холл, 2015 г. Теорема 5.6.
  11. ^ Холл, 2015 г. Теорема 5.20.
  12. ^ Холл, 2015 г. Пример 3.27.
  13. ^ Зал 2015 г., Предложение 4.35.
  14. ^ Зал 2015 г., раздел 1.4.
  15. ^ Холл 2015. Следствие 5.7.
  16. ^ Зал 2015 г., раздел 5.7.
  17. ^ Холл, 2015 г. Теорема 2.14.
  18. ^ Зал 2015 г.
  19. ^ Зал 2015 , Раздел 4.7.
  20. ^ Хельгасон 1978 , Глава II, § 5
  21. ^ Бурбаки 1981 , Гл. III, § 3, вып. 16, следствие предложения 55.
  22. ^ Бурбаки 1981 , Гл. III, § 1, вып. 7, предложение 14.
  23. ^ Это сюръективно, потому что как является абелевым.
  24. ^ Бурбаки 1981 , гл. III, § 3. нет. 7
  • Бурбаки, Н. (1981), Группы и алгебры Ли (глава 3) , Элементы математики, Герман
  • Дуйстермаат, Джей-Джей; Колк, А. (2000), Группы Ли , Universitext, Springer, doi : 10.1007/978-3-642-56936-4 , ISBN  3540152938
  • Холл, Брайан К. (2015), Группы Ли, алгебры Ли и представления: элементарное введение , Тексты для аспирантов по математике, том. 222 (2-е изд.), Springer, номер документа : 10.1007/978-3-319-13467-3 , ISBN.  978-3319134666
  • Хельгасон, Сигурдур (1978), Дифференциальная геометрия, группы Ли и симметрические пространства , Academic Press, ISBN  0-12-338460-5
  • Ли, Джон М. (2012). Введение в гладкие многообразия . Тексты для аспирантов по математике . Том. 218 (Второе изд.). Нью-Йорк Лондон: Springer-Verlag . ISBN  978-1-4419-9981-8 . OCLC   808682771 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c1e460558936d4b7d7a2228185fadfc5__1722028500
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c1/c5/c1e460558936d4b7d7a2228185fadfc5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Lie group–Lie algebra correspondence - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)