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リー群は単位元のそばでほとんど決まる、リー環と指数写像

群であって、同時に多様体でもある。積と逆元をとる操作が滑らかである。この 3 つを満たすものがリー群です[1]。

代数と幾何が同じ対象の上に載るので、片方の問題がもう片方の言葉に翻訳できます。連続に動く群は、単位元のまわりだけでほとんど決まってしまう。

定義

集合 が群の構造と滑らかな多様体の構造を持ち、積 と逆元 がどちらも滑らかな写像であるとき、 をリー群といいます[1]。

リー群のあいだの射は、滑らかで、しかも群の演算を保つ写像です[1]。

滑らかさの意味は 、、解析的のどれでとっても同じ結果になります[1]。位相群としての条件だけからでも、実は一意に滑らかな構造が入ります。

連結であることは要求しません[1]。有限群は 次元のリー群です。

例

古典的な行列群はどれもリー群です[1]。

加法群 。次元は になる。
円周 。絶対値 の複素数の全体で、次元は 。
。 次元空間の開集合なので、次元は 。
、、、、。どれもリー群になる。

は 次元球面と微分同相です[1]。群が球面になる例で、多様体としての形が代数の側からも読めます。

閉部分群は自動で部分リー群

部分群が滑らかな部分多様体になるかどうかは、位相の条件だけで決まります[1]。

リー群 の部分リー群は必ず の中で閉じています[1]。逆に、閉じた部分群は必ず部分リー群になる[1]。

後半のほうが難しい主張です。滑らかさを一切仮定していないのに、閉じているというだけで多様体の構造が入ってしまう。

この定理があるので、 や がリー群であることを確かめるのに、多様体の構造を手で作る必要がありません。 の閉部分群であることだけ見ればよい。

単位元のそばが全体を生む

連結なリー群では、単位元のどんな近傍も全体を生成します[1]。

理由は簡単です。近傍 が生成する部分群 をとると、 は開集合になります。 について が開だからです。

開部分群は閉部分群でもあります。補集合が剰余類の合併で、それぞれ開だから。連結性から になります。

だから連結なリー群では、単位元の近くの情報だけで全体が決まる場面が多い。準同型についても同じで、連結な相手への射は単位元での微分だけで決まります[1]。

リー環

単位元における接空間を と書き、リー環といいます。

行列群では具体的に計算できます。 の中の曲線 で となるものをとり、 での微分を集めればよい。

なら を微分して 、つまり交代行列の全体です。 なら で歪エルミート行列になります。

行列の指数関数が、リー環から群へ戻る道を与えます[1]。

この級数は収束し、解析的な写像を定めます[1]。 が成り立つので、基底のとり替えと交換します[1]。

1 径数部分群

を固定して を見ると、 が成り立ちます[1]。これはリー群の射 です。

こうした射を 1 径数部分群といいます[1]。像が部分リー群になるとは限らないので名前としては正確ではありませんが、定着しています[1]。

平面の回転で見ます。

の直線が、 の円周へ巻きつきます。 が 進むと 1 周する。

局所的には線型空間

対数写像を使うと、単位元の近傍がリー環の の近傍と一対一に対応します[1]。

古典群 については、ベクトル空間 があって、 と が近傍どうしの互いに逆な写像になります[1]。

曲がった対象の局所を平らな線型空間に置き換える、という手つきです。近傍が全体を生成することと合わせると、群の多くの性質がリー環の線型代数に落ちる。

同じリー環、違う群

対応は完全ではありません。 と はどちらも 次元で、リー環が同型です[1]。

それでも群としては違います。 が 対 の全射で、核が になる。

リー環が決めるのは局所的な形だけです。大域的な形、つまり基本群のような情報は落ちる。単連結なリー群に限れば、リー環から群が復元できます。

リー環で決まること

局所的な構造、準同型の微分、連結成分の中の様子

リー環で決まらないこと

連結成分の個数、基本群、被覆の重なりかた

コンパクトなら指数写像は全射

コンパクト連結なリー群では、 が全射になります[2]。

これは Cartan の定理と同値です[2]。極大トーラス をとると が成り立ち、トーラスの上では が全射だからです。

コンパクトでないと崩れます[2]。 では、指数写像の像に入らない元があります。

リー環の分類

複素単純リー環は完全に分類されています[1]。Killing 形式が非退化であることが半単純性と同値になり、そこから根系の分類へ進みます[1]。

Dynkin 図形による分類が答えです[1]。、、、 の 4 系列と、、、、、 の 5 つの例外型に分かれます。

同じ分類が、有限体の上でも効きます[3]。有限単純群の Lie 型の系列は、この分類に対応する形で 16 の族に整理されます[3]。

連続な群の分類が、そのまま有限群の分類の骨組みになっている。リー群を調べることが、有限群論の側にも効く理由がここにあります。

リー群 の部分群 が閉集合であるとき、言えることはどれですか。

  • は必ず正規部分群になる
  • は自動的に部分リー群になる
  • は必ず連結になる
__RESULT__

閉部分群は部分リー群になる、というのが Cartan の定理の内容です。滑らかさを仮定していないのに、位相の条件だけで多様体の構造が入ります。この定理のおかげで、 や がリー群であることは、 の閉部分群だと確かめるだけで済みます。

群であることと多様体であることを同時に課すと、単位元のそばだけで大部分が決まります。局所を線型空間に置き換えるのが指数写像で、そこから先はリー環の線型代数になる。落ちるのは大域的な情報だけで、その落ちた分が と の差にあたります。

参考

Alexander Kirillov, Jr., *Introduction to Lie Groups and Lie Algebras*, Stony Brook University
Zuoqin Wang, *Cartan's Theorem of Maximal Tori*, Lie Groups lecture notes, USTC
Luis J. Boya, *Introduction to Sporadic Groups for physicists*, Universidad de Zaragoza
群であって同時に多様体でもあり、積と逆元をとる操作が滑らか。この 3 つを満たすものがリー群です。連結なら単位元のどんな近傍も全体を生成するので、局所の情報が大域を決めます。閉じた部分群が自動的に部分リー群になるという定理のおかげで、$O(n)$ や $SU(n)$ がリー群であることは閉集合だと見るだけで済む。単位元での接空間がリー環で、指数写像が群へ戻る道を与えます。平面の回転では、リー環の直線が円周へ巻きつく。$SU(2)$ と $SO(3)$ はリー環が同じでも群としては違い、その差が 2 対 1 の被覆に出ます。コンパクトなら指数写像が全射になること、Dynkin 図形による分類まで。