4. Lie Algebrák, Vektormezők

1. Definíció:
Lie Algebra
Egy (valós) Lie Algebra nem más, mint egy valós vektortér ( n), amelyen értelmezve van egy kétváltozós művelet: a Lie zárójel, jelölése [A,B], a következő tulajdonságokkal: Ha a vektorterünk komplex vektortér, és a Lie zárójel komplex lineáris, akkor a Lie algebrát komplex Lie algebrának mondjuk.
2. Definíció: Legyenek A és B Lie algebrák. Azt mondjuk, hogy egy VA altér rész Lie algebra, ha a Lie zárójel művelet nem vezet ki belőle, azaz bármely v,wV elempárra [v,w]V. V-t Lie algebra ideálnak mondjuk, ha bármely vV, aA elempárra [v,a]V. Egy ϕ:AB lineáris leképezést Lie algebra homomorfizmusnak mondunk, ha megőrzi a Lie zárójelet, azaz bármely a,bA elempárra ϕ([a,b])=[ϕ(a),ϕ(b)] Két Lie algebra izomorf, ha van közöttük egy invertálható homomorfizmus.
3. Definíció: Egy Lie algebra kommutatív, ha bármely két elem Lie zárójele nulla. Világos, hogy csak egy n dimenziós kommutatív Lie algebra van minden n-re. (Pontosabban: bármelyik kettő izomorf egymással).
I. Feladat: Bizonyítsd be, hogy csak egyetlen 1 dimenziós Lie algebra van: a kommutatív! Megoldások
II. Feladat: Lásd be, hogy a háromdimenziós (valós) vektorok a vektoriális szorzással Lie algebrát alkotnak!

Lie algebrákat a gyakorlatban kétféle módon szoktunk megadni:

Mátrix Lie algebrák

4. Definíció: Jelölje gl(n,) az összes n×n-es mátrixok terét. Úgy gondolunk az elemeire, mint a GL(n,) csoportot az egységelemben érintő vektorokra. gl(n,) vektor tér, és értelmezzük rajta a Lie zárójel műveletet, jelölése [A,B]: [A,B]:=ABBA Ezzel a művelettel gl(n,) egy Lie algebra lesz. Az n×n-es komplex mátrixok Lie algebráját pedig gl(n,) jelöli.
5. Megjegyzés: Mátrixok Lie zárójelét szokás kommutátornak is hívni. Ebben a jegyzetben a Lie zárójel elnevezést használjuk, a kommutátor szót fenntartjuk a csoportokban értelmezett [a,b]=aba 1 b 1 műveletre.
III. Feladat: Ellenőrizd, hogy a mátrixok Lie zárójele kielégíti a Lie algebra azonosságokat!
(A)
gl(n,R) és gl(n,c) részalgebrái
IV. Feladat: Lásd be, hogy az (A) Listán valóban részalgebrák vannak!
V. Feladat: Számítsd ki az (A) Listán szereplő Lie algebrák dimenzióját!
6. Tétel:
Ado tétele
Minden végesdimenziós valós Lie algebra izomorf gl(n,) részalgebrájával valamilyen n-re.
7. Definíció:
Exponenciális függvény mátrixokra
Legyen Agl(n,). A vele azonos méretű e A mátrixot így definiáljuk: e A:=lim n(1 +An) n= n=0 1 n!A n Másik jelölés és elnevezés: az exp:gl(n,)GL(n,), exp(A):=e A függvényt exponenciális fügvénynek hívják. Természetesen ugyanezt a definíciót használhatjuk komplex mátrixokra is, ilyenkor az eredmény is komplex mátrix lesz: exp:gl(n,)GL(n,).

Az exponenciális függvényről sokat olvashatsz a másik jegyzet Exponenciális függvény fejezetében. Ott megtalálod a deriváltját is, amiből következik, hogy van inverze. Precízebben:

8. Tétel:
Mátrixok logaritmusa
Az exp:gl(n,)GL(n,) függvény a 0 mátrix egy kis környezetét egy-egy értelműen képezi az 1 mátrix egy környezetébe, ezért ott van inverz függvénye, a logaritmus függvény, jelölése log(A): log(A):= n=1 (1 A) nnha1 A<1 vagy másképpen írva: log(1 B):= n=1 B nnhaB<1
9. Tétel: Ha A,Bgl(n,) felcserélhető mátrixok, azaz AB=BA, akkor e A és e B is felcserélhetők, és e Ae B=e A+B Tehát ha Lgl(n,) egy felcserélhető mátrixokból álló altér, akkor exp:LGL(n,) egy csoport homomorfizmus.
VI. Feladat: Bizonyítsd be a 9. Tételt!

Ennek a tételnek nagyon fontos alkalmazása a 5/5. Tétel: az egyparaméteres részcsoportok leírása GL(n,)-ben. Ha a mátrixok nem felcserélhetők, akkor is mondhatunk valamit:

10. Tétel:
Hausdorff Campbell Baker formula
Ha az A,Bgl(n,) mátrixok közel vannak a 0 mátrixhoz, akkor a mátrix szorzás egy konvergens sorba fejthető: exp(A)exp(B)=exp(A+B+1 2 [A,B]+1 12 [[A,B],B]1 12 [[A,B],A]+) ahol a sor minden tagja csupán Lie zárójelek segítségével kapható A-ból és B-ből. Tehát a mátrix szorzás kifejezhető a Lie zárójel segítségével.

Vektormezők

11. Definíció: Legyen V=(V 1 ,V 2 ,V n) egy vektormező az n dimenziós tér egy nyít tartományán! (Tehát a V i együtthatók n-változós függvények.) Egy ugyanott értelmezett (tehát n változós) f függvény V szerinti iránymenti deriváltja: Vf:=V,f= i=1 nV ifx i Az iránymenti deriválás egy homogén elsőrendű differenciál operátor: V,= i=1 nV ix i
12. Konvenció: A vektormezőket azonosítjuk az általuk meghatározott iránymenti deriválással, thát V= i=1 nV ix i alakban írjuk, ahol a V i eggyütthatók n változós függvények. Ebben a jelölésben tehát a x i operátorok lesznek a bázisvektorok.
13. Definíció: A fenti azonosítás lehetővé teszi, hogy sokaságokon is beszélhessünk vektormezőkről. Egy M sokaságot érintő vektormező nem más, mint egy M-en értelmezett homogén elsőrendű differenciál operátor. Ha egy M-beli kis környezeben választunk x 1 ,x 1 ,x n koordinátarendszert, akkor felírhatjuk a vektormezőt V ix i alakban.
14. Megjegyzés: Könnyen ellenőrizhető, hogy ha M N egy részsokaság, akkor M-et érintő vektormezők valójában olyan N-dimenziós vektormezők, amelyek M pontjaiban vannak értelmezve, és minden pontban érintik M-et. Ezért kapták az "érintő vektormező" elnevezést.
VII. Feladat: Ellenőrizd a 14. Megjegyzést.

Legyenek V és W vektormezők - tehát homogén elsőrendű differenciál operátorok. Egymás után alkalmazva őket egy másodrendű differenciál operátorhoz jutunk: VW=( i=1 nV ix i)( j=1 nW jx j)= = i=1 n j=1 nV iW j 2 x ix j+ i=1 n j=1 nV iW jx ix j Ez a művelet nem kommutatív, ha fordított sorrendben alkalmazzuk őket, akkor másik operátort kapunk: WV= i=1 n j=1 nW iV j 2 x ix j+ i=1 n j=1 nW iV jx ix j Vegyük észre, hogy a másodrendű tagok megegyeznek, tehát a két kompozíció különbsége megint csak homogén elsőrendű differenciál operátor, azaz vektormező.

15. Definíció: A V és W vektormezők Lie zárójele: [V,W]:=VWWV A fenti számolás szerint minden másodrendű tag kiesik, tehát ez is egy vektormező lesz: [V,W]= j=1 n( i=1 nV iW jx iW iV jx i)x j
16. Tétel: Egy M sokaságot érintő vektormezők egy (végtelen dimenziós) Lie algebrát alkotnak.
VIII. Feladat: Ellenőrizd, hogy a vektormezők Lie zárójele kielégíti a Lie algebra azonosságokat! Ezzel bebizonyítod a 16. Tételt.
IX. Feladat: Minden Agl(n,) mátrixhoz hozzárendeljük a V A vektormezőt: V A(x)=Ax. Mutasd meg, hogy ez az AV A hozzárendelés lineáris leképezés, és megőrzi a Lie zárójelet: V [A,B]=[V A,V B]. Más szóval, ez egy Lie algebra homomorfizmus gl(n,)-ből a vektormezők Lie algebrájába.