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 .
Основы
[ редактировать ]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:
- для всех X в Lie( G ), где «exp» — экспоненциальное отображение
- . [ 4 ]
- Если образ f замкнут, [ 5 ] затем [ 6 ] и справедлива первая теорема об изоморфизме : f индуцирует изоморфизм групп Ли:
- : Действует цепное правило если и являются гомоморфизмами групп Ли, то .
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.)
Связанные конструкции
[ 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 ]- Компактная алгебра Ли
- Теорема Милнора – Мура
- Официальная группа
- Алгебра Ли Мальцева
- Распределение на линейной алгебраической группе
Цитаты
[ редактировать ]- ^ Ли 2012 , с. 530.
- ^ Хельгасон 1978 , гл. II, § 2, предложение 2.7.
- ^ Зал 2015 г., раздел 3.3.
- ' ^ В более общем смысле, если H является замкнутой подгруппой H , то
- ^ Это требование нельзя опустить; см. также https://math.stackexchange.com/q/329753
- ^ Бурбаки 1981 , Гл. III, § 3, вып. 8, Предложение 28
- ^ Бурбаки 1981 , гл. III, § 1, предложение 5.
- ^ Холл, 2015 г. Следствие 3.49.
- ^ Холл, 2015 г. Теорема 5.25.
- ^ Холл, 2015 г. Теорема 5.6.
- ^ Холл, 2015 г. Теорема 5.20.
- ^ Холл, 2015 г. Пример 3.27.
- ^ Зал 2015 г., Предложение 4.35.
- ^ Зал 2015 г., раздел 1.4.
- ^ Холл 2015. Следствие 5.7.
- ^ Зал 2015 г., раздел 5.7.
- ^ Холл, 2015 г. Теорема 2.14.
- ^ Зал 2015 г.
- ^ Зал 2015 , Раздел 4.7.
- ^ Хельгасон 1978 , Глава II, § 5
- ^ Бурбаки 1981 , Гл. III, § 3, вып. 16, следствие предложения 55.
- ^ Бурбаки 1981 , Гл. III, § 1, вып. 7, предложение 14.
- ^ Это сюръективно, потому что как является абелевым.
- ^ Бурбаки 1981 , гл. III, § 3. нет. 7
Ссылки
[ редактировать ]- 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 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Замечания по математике 261A Группы Ли и алгебры Ли
- Попов, В.Л. (2001) [1994], «Алгебра Ли аналитической группы» , Энциклопедия математики , EMS Press
- Формальная теория лжи в нулевой характеристике , запись в блоге Ахила Мэтью