4. Lie Algebrák, Vektormezők
1. Definíció:Lie Algebra
Egy (valós) Lie Algebra nem más, mint egy valós vektortér
(
), amelyen értelmezve van egy kétváltozós művelet:
a
Lie zárójel, jelölése
,
a következő tulajdonságokkal:
- mindkét változójában lineáris:
- antiszimmetrikus:
- Jacobi azonosság:
Ha a vektorterünk komplex vektortér, és a Lie zárójel komplex
lineáris, akkor a Lie algebrát komplex Lie algebrának mondjuk.
2. Definíció:
Legyenek és Lie algebrák. Azt mondjuk, hogy egy
altér rész Lie algebra, ha a Lie zárójel művelet nem
vezet ki belőle, azaz bármely elempárra .
-t Lie algebra ideálnak mondjuk,
ha bármely , elempárra .
Egy lineáris leképezést
Lie algebra homomorfizmusnak mondunk, ha megőrzi a Lie
zárójelet, azaz bármely elempárra
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 dimenziós
kommutatív Lie algebra van minden -re.
(Pontosabban: bármelyik kettő izomorf egymással).
I. Feladat:
Bizonyítsd be, hogy csak egyetlen 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:
- vagy egy ismert Lie algebra részalgebrájaként,
- vagy megadjuk a bázisvektorokat, és a bázisvektorok Lie zárójelét.
Mátrix Lie algebrák
4. Definíció:
Jelölje
az összes
-es
mátrixok terét.
Úgy gondolunk az elemeire, mint a
csoportot az
egységelemben érintő vektorokra.
vektor tér, és értelmezzük
rajta a
Lie zárójel műveletet,
jelölése
:
Ezzel a művelettel
egy
Lie algebra lesz.
Az
-es komplex mátrixok Lie algebráját pedig
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
műveletre.
III. Feladat:
Ellenőrizd, hogy a mátrixok Lie zárójele kielégíti a
Lie algebra azonosságokat!
(A) gl(n,R) és gl(n,c) részalgebrái
- jelöli a nulla nyomú valós
mátrixok Lie algebráját.
- jelöli a nulla nyomú komplex
mátrixok Lie algebráját.
- jelöli az antiszimmetrikus mátrixok
Lie algebráját. Egy mátrix antiszimmetrikus, ha a
transzponáltja megegyezik az ellentettjével: .
- jelöli az antiönadjungált mátrixok
Lie algebráját. Egy mátrix antiönadjungált, ha a
konjugált-transzponáltja megegyezik az ellentettjével:
.
- jelöli a nulla nyomú
antiönadjungált mátrixok Lie algebráját.
- Az átlós mátrixok Lie algebrája. Ez kommutatív.
- A felső háromszög mátrixok Lie algebrája.
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
részalgebrájával valamilyen
-re.
7. Definíció:Exponenciális függvény mátrixokra
Legyen
.
A vele azonos méretű
mátrixot így
definiáljuk:
Másik jelölés és elnevezés: az
,
függvényt exponenciális fügvénynek hívják.
Természetesen ugyanezt a definíciót használhatjuk komplex
mátrixokra is, ilyenkor az eredmény is komplex mátrix lesz:
.
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
függvény
a
mátrix egy kis környezetét egy-egy értelműen képezi az
mátrix egy környezetébe, ezért ott van inverz függvénye,
a logaritmus függvény,
jelölése
:
vagy másképpen írva:
9. Tétel:
Ha
felcserélhető mátrixok,
azaz
, akkor
és
is felcserélhetők, és
Tehát ha
egy felcserélhető mátrixokból álló
altér, akkor
egy csoport homomorfizmus.
Ennek a tételnek nagyon fontos alkalmazása a
5/5. Tétel: az egyparaméteres
részcsoportok leírása -ben.
Ha a mátrixok nem felcserélhetők, akkor is mondhatunk valamit:
10. Tétel:Hausdorff Campbell Baker formula
Ha az
mátrixok közel vannak a
mátrixhoz, akkor a mátrix szorzás egy konvergens sorba fejthető:
ahol a sor minden tagja csupán Lie zárójelek segítségével kapható
-ból és
-ből. Tehát a mátrix szorzás kifejezhető a Lie zárójel
segítségével.
Vektormezők
11. Definíció:
Legyen egy vektormező az dimenziós tér
egy nyít tartományán!
(Tehát a együtthatók -változós függvények.)
Egy ugyanott értelmezett (tehát változós)
függvény szerinti iránymenti deriváltja:
Az iránymenti deriválás egy
homogén elsőrendű differenciál operátor:
12. Konvenció:
A vektormezőket azonosítjuk az általuk meghatározott iránymenti
deriválással, thát
alakban írjuk, ahol a eggyütthatók változós függvények.
Ebben a jelölésben tehát a
operátorok lesznek a bázisvektorok.
13. Definíció:
A fenti azonosítás lehetővé teszi, hogy sokaságokon is
beszélhessünk vektormezőkről.
Egy sokaságot érintő vektormező
nem más, mint egy -en értelmezett homogén elsőrendű differenciál
operátor. Ha egy -beli kis környezeben választunk
koordinátarendszert,
akkor felírhatjuk a vektormezőt
alakban.
14. Megjegyzés:
Könnyen ellenőrizhető, hogy ha egy
részsokaság, akkor -et érintő vektormezők valójában olyan
-dimenziós vektormezők, amelyek pontjaiban vannak
értelmezve, és minden pontban érintik -et.
Ezért kapták az "érintő vektormező" elnevezést.
Legyenek és vektormezők - tehát homogén elsőrendű
differenciál operátorok.
Egymás után alkalmazva őket egy másodrendű differenciál operátorhoz
jutunk:
Ez a művelet nem kommutatív, ha fordított sorrendben alkalmazzuk
őket, akkor másik operátort kapunk:
Vegyük észre, hogy a másodrendű tagok megegyeznek, tehát a két
kompozíció különbsége megint csak homogén elsőrendű differenciál
operátor, azaz vektormező.
15. Definíció:
A és vektormezők Lie zárójele:
A fenti számolás szerint minden másodrendű tag kiesik,
tehát ez is egy vektormező lesz:
16. Tétel:
Egy 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 mátrixhoz hozzárendeljük a
vektormezőt: .
Mutasd meg, hogy ez az hozzárendelés lineáris leképezés,
és megőrzi a Lie zárójelet: . Más szóval, ez
egy Lie algebra homomorfizmus -ből a vektormezők
Lie algebrájába.